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Universidade do Estado do Rio de Janeiro Centro de Tecnologia e Ciências Instituto de Química Marcelo Ferreira Leão de Oliveira Tenacificação em Nanocompósitos de Poliamida 6 e Argila Rio de Janeiro 2010
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Universidade do Estado do Rio de JaneiroCentro de Tecnologia e Ciências
Instituto de Química
Marcelo Ferreira Leão de Oliveira
Tenacificação em Nanocompósitos de Poliamida 6 e Argila
Rio de Janeiro
2010
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Marcelo Ferreira Leão de Oliveira
Tenacificação em Nanocompósitos de Poliamida 6 e Argila
Dissertação apresentada, comorequisito parcial para obtenção dotítulo de Mestre ao Programa de Pós-Graduação em Química, daUniversidade do Estado do Rio deJaneiro. Área de concentração:Polímeros
Orientadores: Dra. Márcia Christina Amorim Moreira LeiteDra. Marcia Gomes de Oliveira
Rio de Janeiro2010
CATALOGAÇÃO NA FONTE
UERJ/REDE SIRIUS/CTC/IQ
O48 Oliveira, Marcelo Ferreira Leão de. Tenacificação em nanocompósitos de poliamida 6 e argila. / MarceloFerreira Leão de Oliveira. - 2009.
103 f
Orientador: Márcia Christina Amorim Moreira Leite. Orientador: Marcia Gomes de Oliveira. Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado do Rio de Janeiro,
Instituto de Química.
1. Nanocompósitos - Teses. 2. Poliamidas – Teses. 3.Montmorilonita - Teses. I. Leite, Márcia Amorim Moreira. II. Oliveira,Marcia Gomes de. III. Universidade do Estado do Rio de Janeiro.Instituto de Química. IV. Título.
CDU678.744
Autorizo apenas para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou parcial
desta dissertação.
______________________________ ________________
Assinatura Data
Marcelo Ferreira Leão de Oliveira
Tenacificação em Nanocompósito de Poliamida 6 e Argila.
Dissertação apresentada, comorequisito para obtenção dotítulo de Mestre ao Programa dePós-Graduação em Química, daUniversidade do Estado do Riode Janeiro. Área deconcentração: Polímeros
Aprovado em 11 de junho de 2010.
Banca Examinadora:
_______________________________________________Profa. Dra. Márcia Christina Amorim Moreira Leite (Orientador)
Departamento de Química Orgânica do Instituto de Química da UERJ
_______________________________________________Dra. Marcia Gomes de Oliveira (Orientador)
Divisão de Processamento e Caracterização de Materiais do INT
_______________________________________________Prof. Dr. Alex da Silva Sirqueira
Centro Universitário Estadual da Zona Oeste UEZO
_______________________________________________Prof. Dr. Marcos Antonio da Silva Costa
Departamento de Processos Químicos do Instituto de Química da UERJ
Rio de Janeiro
2010
AGRADECIMENTOS
Ao nosso eterno Pai do céu, Deus de imensa misericórdia, por iluminar o meu
caminho.
Aos meus pais queridos e carinhosos que sempre me apoiaram nos momentos
difíceis e pelos constantes incentivos aos estudos e ao conhecimento.
À minha orientadora Dra. Marcia Gomes de Oliveira, tecnologista da Divisão de
Caracterização e Processamento de Materiais (DPCM), do Instituto Nacional de
Tecnologia (INT), pela oportunidade de trabalho no laboratório, pela capacitação
profissional, pela amizade, pelo apoio, incentivo e paciência ao orientar-me na
execução desse trabalho, apontando os caminhos que conduzem a um estudo
científico.
À minha orientadora Dra. Márcia Christina Amorim Moreira Leite, pelos preciosos
ensinamentos adquiridos na área de polímeros como professora do Programa de
Pós-Graduação em Química (PPGQ), pela paciência, atenção, compreensão,
exemplo de profissionalismo e, sobretudo, pela amizade.
A CAPES pelo auxílio financeiro concedido.
Ao laboratório de tecnologia de materiais poliméricos (LAMAP/DPCM/INT),
laboratório de catálise (LACAT/INT), laboratório de caracterização de polímeros
(UERJ) e ao laboratório de misturas poliméricas e compósitos condutores
(IMA/UFRJ) pela oportunidade e apoio não só à realização desse trabalho, mas
também por ter estimulado o meu crescimento intelectual em razão da
convivência com os profissionais capacitados que pertencem ao quadro desses
institutos.
A Valéria Gonçalves Costa, tecnologista da divisão de caracterização e
processamento de materiais, do Instituto Nacional de Tecnologia, pelo imenso
carinho e amizade, pelo incentivo aos estudos, pelos bons e excelentes papos
filosóficos após o almoço sobre química, cinema, teatro, cultura em geral,
tomando um delicioso café na kopenhagen.
A minha amiga Fernanda Braga (Fernandinha), companheira nota 10 de
mestrado, pelas boas risadas no laboratório e confecção da dissertação, pelo
fortalecimento de nossa amizade, pelo grande carinho, principalmente nos
momentos difíceis na trajetória desse trabalho e pelos bons papos sobre cinema
e cultura de modo geral.
A Djanira Maria Rezende Costa, da divisão de caracterização e processamento
de materiais, do Instituto Nacional de Tecnologia, pela amizade, carinho, zelo,
boas risadas e aprendizado no laboratório.
Ao Sr. Antônio Souto, chefe da DPCM, e toda a sua equipe, pelo carinho, pelo
espaço concedido e pelos bons papos de descontração no laboratório.
A minha amiga Alessandra Neves, ex-companheira de laboratório e atual aluna
de doutorado da UFSC, pela amizade, pela paciência, pelo suco de tangerina
junto com a Valéria no Horti-fruti, pelo bom humor e carinho nos momentos
difíceis.
A Ana Catarina Gomes, pela amizade, pelo carinho, pela sua experiência
profissional, pelos ensinamentos adquiridos junto ao laboratório.
Aos meninos Renato e Igor, bolsistas de iniciação científica do INT, pela
amizade, pela moagem dos nanocompósitos, moldagem por injeção e pelas
análises de DSC.
Ao Paulo Roberto, bolsista de iniciação científica do IMA/UFRJ, pela atenção e
paciência na moagem dos compósitos e ensinamentos técnicos sobre operação
do ultramicrótomo.
A Flávia Omena, pela atenção, pela paciência e pelos ensinamentos sobre a
utilização do microscópio óptico.
À minha amiga Renata Barreto, hoje doutora pela UFF, pela amizade, na alegria
e nos momentos de dificuldade, pela torcida, pelo auxílio, pelos conselhos, pelo
incentivo aos estudos e ao trabalho.
Ao meu amigo Márcio Caminha, pela amizade, pela alegria, pelo imenso carinho,
paciência nos momentos difíceis, pelas excelentes conversas sobre
entreterimento na Cantareira tomando cerveja ao lado de outros amigos, pelas
boas músicas em que escutei escrevendo a dissertação.
Ao meu amigo Anderson Rocha, pela amizade, pelos bons papos e incentivos à
ciência e tecnologia, pelos bons papos sobre “filosofar”, pelas boas risadas
descontraídas tomando cerveja na praia de camboinhas.
Ao meu amigo Samuel Strappa, pela amizade, pelos bons cafés descontraídos
na hora do lanche e pelos cafés no final de semana na kopenhagen do plaza de
Niterói.
Aos muitos amigos e colegas que me acompanham há muito tempo, que não
foram mencionados, mas não esquecidos, pelas boas horas de bate papo e
descontração.
A DSM Elastômeros, pela doação do EPDM e do EPDM-MA.
A Ciba, pela doação dos antioxidantes.
A todos que direta ou indiretamente contribuíram para a elaboração dessa
dissertação de mestrado, o meu muito obrigado.
“A ciência não é uma ilusão, mas seria uma ilusão acreditar que poderemos
encontrar noutro lugar o que ela não nos pode dar”
Sigmund Freud (1856-1939)
-Neurologista e psicanalista-
RESUMO
OLIVEIRA, Marcelo Ferreira Leão de. Tenacificação de Nanocompósito de Poliamida 6 eArgila Organofílica. 2010. 103f. Dissertação (Mestrado em Química) – Instituto deQuímica – Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2010.
Nanocompósitos de poliamida 6 (PA6) e montmorilonita modificada com sal
de amônio quaternário têm sido estudados, visando melhorar as propriedades
térmicas e mecânicas. De fato os efeitos da nano-escala e da interação carga-matriz
resultam em maior módulo de elasticidade e resistência à tração, porém a
deformação é reduzida. Assim, nesse trabalho, optou-se por adicionar elastômeros,
terpolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM) e terpolímero de etileno-propileno-
dieno modificado com anidrido maleico (EPDM-MA), ao sistema PA 6/argila
organofílica para recuperar os valores de deformação. Foi utilizada montmorilonita
modificada com cloreto de dimetildioctadecil amônio. A intercalação por fusão foi
realizada em câmara interna de mistura. Além das propriedades mecânicas,
térmicas e reológicas, foram investigadas as modificações na cristalinidade da fase
PA-6 em função da adição da argila modificada, EPDM e EPDM-MA, detectando-se
as variações no grau de cristalinidade e nas temperaturas de fusão e cristalização.
Os difratogramas de raios-x revelaram ocorrência de intercalação/esfoliação e
também modificação da forma cristalina da PA 6, indicando a formação do cristal
gama.
Palavra chave: nanocompósitos, poliamida 6, argila modificada.
ABSTRACT
Nanocomposites of polyamide 6 and montmorillonite modified with alquil-ammonium
salts have been studied, searching for the improvement of mechanical and thermal
properties. In fact the effects of the nano-scale and the interaction matrix-filler result
in larger module of elasticity and tensile strength. However, the elongation at break
was greatly reduced. Therefore, in this work, it has been decided to add elastomers,
ethylene-proplene-diene terpolymer (EPDM) and ethylene-proplene-diene terpolymer
funcionalized with maleic anhydride (EPDM-MA), to the system PA6/organoclay,
using modified montmorillonite with ditallowdimethylammonium chloride. The
nanocomposites were prepared by melt intercalation technique in a mix internal
chamber. Besides the mechanical, thermal and rheological properties, the
modifications in the crystallinity of PA6 phase were investigated, being detected the
variations in the degree of crystallinity and in the melt temperature and crystallization.
The diffractograms of x-ray (XRD) revealed occurrence of intercalation/exfoliation as
well as modification of the crystalline form of PA 6, indicating the formation of
crystals.
Key-words: nylon 6; poliamide 6; nanocomposite, organoclay
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Comparação esquemática entre as dimensões de um
microcompósito e um nanocompósito................................................. 25
Figura 2 - Estrutura dos filossilicatos 2:1 mostrando duas camadas de alumínio
com cátions sódio nas galerias............................................ 27
Figura 3 - Estrutura dos nanocompósitos............................................................ 30
Figura 4 - MET de Nanocompósitos de EVA/argila organofílica: (a)
Nanocompósitos de EVA/alquilamônio primário, (b) Nanocompósitos
de EVA/alquilamônio secundário e (c) Nanocompósitos de
EVA/alquilamônio terciário.................................. 31
Figura 5 - Representação esquemática de nanocompósitos com a ocorrência
ou não de intercalação e esfoliação. (a) microcompósito de fase
separada de polietileno (PE)/ hectofluorita modificada; (b)
nanocompósito intercalado de poliestireno/hectofluorita modificada;
(c) nanocompósito parcialmente esfoliado de borracha de
silicone/hectofluorita modificada......................................................... 32
Figura 6 - Formação de nanocompósito de PA 6 por polimerização in situ
(Toyota)............................................................................................... 34
Figura 7 - Interações do tipo ligações de hidrogênio entre a carbonila e o
hidrogênio dos grupos amida.............................................................. 36
Figura 8 - MEV das misturas extrusadas de PA6/mEPDM/EPDM-MA. (a)
PA6/mEPDM; (b) PA6/mEPDM/EPDM-MA......................................... 37
Figura 9 - Fluxograma das principais etapas de preparo e caracterização dos
nanocompósitos de PA6 e argila sem e com EPDM e EPDMMA....... 43
Figura 10 - Esquema ilustrativo do preparo de nanocompósitos........................... 45
Figura 11 - Região do corpo de prova analisado por difração de Raios-X............ 49
Figura 12 - Gráfico das curvas de torque em função do tempo da PA6 e seus
nanocompósitos com diferentes teores de argila organofílica............. 51
Figura 13 - Gráfico do módulo de armazenamento (G’) em função da
deformação () da PA6 e seus nanocompósitos com diferentes
teores de argila organofílica................................................................ 54
Figura 14 - Gráfico do módulo de armazenamento (G’) em função da varredura
de freqüência (com deformação de 1% da PA6 e seus
nanocompósitos com diferentes teores de argila organofílica............. 55
Figura 15 - Razão do módulo de armazenamento do nanocompósito pelo
módulo de armazenamento da poliamida pura (G’PA6nano/ G’PA6 puro)... 56
Figura 16 - Gráfico das curvas da viscosidade complexa (*) em função da
varredura de frquência com 1% de deformação da PA6 e seus
nanocompósitos com diferentes teores de argila modificada.............. 57
Figura 17 - Difração de Raios X (DRX) da argila modificada claytone 40 e dos
nanocompósitos de poliamida com teores crescentes de argila
modificada............................................................................................ 58
Figura 18 - Gráfico das curvas da 2° corrida de temperatura de fusão (Tm) de
calorimetria diferencial de varredura (DSC) da PA6 e seus
nanocompósitos com diferentes teores de argila organofílica............. 60
Figura 19 - Difratogramas da estrutura cristalina da PA6 e suas composições.... 62
Figura 20 -
(a) Curvas da decomposição térmica (TGA) e (b) curvas da 1°
derivada da decomposição térmica (DTG) da poliamida 6 e seus
nanocompósitos com diferentes teores de argila organofílica............. 63
Figura 21 - Principais regiões de perda de massa das curvas de estabilidade
térmica da poliamida 6 e seus nanocompósitos com diferentes
teores de argila.................................................................................... 64
Figura 22 - Resultados de resistência ao impacto da PA6 e seus
nanocompósitos mostrados graficamente........................................... 66
Figura 23 - Esquema ilustrativo da possível formação do copolímero in situ entre
os grupos amínicos da PA6 e os grupos anidridos maleico do
EPDM-MA............................................................................................ 70
Figura 24 - Esquema ilustrativo da possível interação entre os grupos anidridos
e os grupos intercalantes presentes nas lamelas da argila................. 70
Figura 25 - Esquema ilustrativo da possível interação entre os grupos amínicos
e os grupos intercalantes presentes nas lamelas da argila................. 71
Figura 26 - Gráfico das curvas de torque em função do tempo dos
nanocompósitos de PA6/argila (100/5) com teores de EPDM............ 72
Figura 27 - Gráfico das curvas de torque em função do tempo dos
nanocompósitos de PA6/argila (100/5) com diferentes teores de
EPDM-MA............................................................................................ 73
Figura 28 - Gráfico das curvas do módulo de armazenamento (G’) em função da
varredura de deformação (dos nanocompósitos com e sem
adição de EPDM.................................................................................. 74
Figura 29 - Gráfico das curvas do módulo de armazenamento (G’) em função da
varredura de deformação (para os nanocompósitos com e sem
adição de EPDM-MA.................................................................... 74
Figura 30 - Gráfico das curvas do módulo de armazenamento (G’) em função da
varredura de freqüência angular () para os nanocompósitos com e
sem adição de EPDM............................................................... 75
Figura 31 - Gráfico das curvas do módulo de armazenamento (G’) em função da
varredura de freqüência angular (para os nanocompósitos com e
sem adição de EPDM-MA......................................................... 76
Figura 32 - Gráfico das curvas da viscosidade complexa (*) em função da
varredura de freqüência angular (para os nanocompósitos com e
sem adição de EPDM.......................................................................... 78
Figura 33 - Gráfico das curvas da viscosidade complexa (*) em função da
varredura de freqüência angular (para os nanocompósitos com e
sem adição de EPDM-MA.................................................................... 78
Figura 34 - Difração de raios X da argila organofílica claytone 40 (curva em
laranja), dos nanocompósitos de PA6/claytone40 (curva em azul) e
dos nanocompósitos de PA6/claytone40 com teores crescentes de
EPDM (curvas acinzentadas) e EPDM-MA (curvas em vermelho)...... 81
Figura 35 - Gráfico das curvas da 2° corrida de temperatura de fusão (Tm) dos
nanocompósitos de PA6/claytone40 com teores crescentes de
EPDM (curvas em preto) e EPDM-MA (curvas em lilás)
respectivamente................................................................................... 83
Figura 36 - Curva de difração de raios x da PA6 e a deconvolução dos picos de
reflexão dos arranjos cristalinos , e do halo amorfo........................ 85
Figura 37 - Difratogramas da estrutura cristalina dos nanocompósitos de
PA6/claytone40 com e sem adição de diferentes teores de EPDM
(curvas em preto) e EPDM-MA (curvas em rosa)................................ 86
Figura 38 - (a) curvas de decomposição térmica (TG) e (b) a derivada (DTG)
dos nanocompósitos de PA6/claytone40 sem e com adição de
teores crescentes de EPDM................................................................ 88
Figura 39 - (a) curvas de decomposição térmica (TG) e (b) a derivada (DTG)
dos nanocompósitos de PA6/claytone40 sem e com adição de
teores crescentes de EPDM-MA.......................................................... 89
Figura 40 - Resultados de resistência ao impacto da PA6/claytone 40 e seus
nanocompósitos com teores crescentes de EPDM e EPDM-MA
respectivamente................................................................................... 92
Figura I - Representação esquemática das formas cristalinas e da
poliamida 6........................................................................................... 103
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composições estudadas para o preparo dos nanocompósitos...... 44
Tabela 2 - Condições utilizadas para injeção das amostras moídas............... 46
Tabela 3 - Resultados dos valores médios e seus desvios padrão do torque
final e energia específica (SE) da PA6 e suas composições com
diferentes teores de argila............................................................... 52
Tabela 4 - Valores médios e seus desvios padrão do Índice de fluidez da
PA6 e suas composições................................................................ 53
Tabela 5 - Valores dos coeficientes angulares (inclinação) calculados das
curvas de log G’ em função do log da Figura13 na região de
baixas freqüências para a PA6 e seus nanocompósitos................ 55
Tabela 6 - Valores das curvas de difração de raios X (picos característicos e
espaçamento basal) dos nanocompósitos de PA6......................... 59
Tabela 7 - Propriedades térmicas da PA6 e seus nanocompósitos de PA6
com diferentes teores de argila organofílica................................... 60
Tabela 8 - Valores do T4% e Tmax da PA6 e seus nanocompósitos.................. 65
Tabela 9 - Propriedades mecânicas da PA6 e dos seus nanocompósitos de
PA6 com diferentes teores de argila organofílica........................... 67
Tabela 10 - Resultados dos valores médios do torque final, energia
específica (SE) e do índice de fluidez (IF) dos nanocompósitos
de PA6/argila organofílica claytone 40/elastômero
(100/5/variável) .............................................................................. 69
Tabela 11 - Valores dos coeficientes angulares das curvas de log G’ em
função do log em baixas freqüências angulares para os
nanocompósitos de PA6/claytone40 com e sem
elastômero...................................................................................... 77
Tabela 12 - Valores dos expoentes n calculados por ajuste linear seguindo o
modelo da lei das potências das curvas de viscosidade complexa
(*) em baixas taxas de freqüência angular................................... 79
Tabela 13 - Resultados das propriedades térmicas dos nanocompósitos de
PA6/claytone40 e nanocompósitos de PA6/claytone40 com
adição crescente de EPDM e EPDM-MA, respectivamente,
analisados por DSC........................................................................ 82
Tabela 14 - Valores do Xc obtidos por DRX e DSC dos nanocompósitos de
PA6/claytone40 contendo teores crescentes de EPDM e EPDM-
MA respectivamente....................................................................... 87
Tabela 15 - Valores das temperaturas iniciais de degradação (T4%) e
temperatura máxima de conversão (Tmax) dos nanocompósitos
de PA6 sem e com diferentes teores de EPDM e EPDM-MA
respectivamente.............................................................................. 90
Tabela 16 - Valores da resistência ao impacto da PA6/claytone40 e seus
nanocompósitos contendo teores crescentes de EPDM e EPDM-
MArespectivamente........................................................................ 91
Tabela 17 - Propriedades mecânicas dos nanocompósitos de
PA6/claytone40 com teores diferentes de EPDM e EPDM-MA...... 93
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
d001 – distância interplanar entre planos de átomos.
DRX – Difração de raios - X
DSC - Calorimetria diferencial de varredura.
DTG - Termogravimetria derivativa.
E – Módulo elástico.
EPDM – Terpolímero de etileno-propileno-dieno.
EPDM-MA - EPDM funcionalizado com anidrido maleico.
Ic – Área do pico do arranjo cristalino.
Ia – Área do halo amorfo.
IF – Índice de fluidez.
GPa – Gigapascal.
G’ – Módulo de armazenamento.
MPa – Megapascal.
MMT – Montmorilonita.
n - planos de átomos.
n – Expoente que indica o índice de pseudoplasticidade.
- Viscosidade complexa.
PA6 – Poliamida 6.
phr – partes por 100 partes de resina.
TGA - Análise termogravimétrica.
Tm – Temperatura de fusão cristalina.
Tc – Temperatura de cristalização.
T(4%) – Temperatura inicial de degradação em 4%.
T(máx) – Temperatura máxima de conversão.
rpm – rotações por minuto.
Xc – grau de cristalinidade.
w – fração em massa da substância.
- Deformação no escoamento e ruptura.
- Tensão no escoamento e ruptura
– freqüência angular.
-deformação cisalhante.
- comprimento de onda.
- ângulo de difração.
ΔHm – Entalpia de fusão.
ΔH°m – Entalpia de fusão da substância pura 100% cristalina
Trabalhos já apresentados em congressos:
Nano 2008 - 9th International Conference on Nanostructured Materials -
Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas - Rio de Janeiro/RJ – 1 a 6 de junho de
2008 – Apresentação de trabalho sob o título: “The influence of EVA-MA on
mechanical and thermal properties of organoclay reinforced PA 6/EPDM
nanocomposites”.
XI Simpósio Latinoamericano y IX Congresso Iberoamericano de Polímeros
- Pontificia Universidad Católica del Peru – Lima –Peru – 15 a 18 de Julio de
2008 - Apresentação de trabalho sob o título: “The Influence of EBA-GMA on
Mechanical and Thermal properties organoclay reinforced of PA 6/EPDM
Nanocomposities”.
18° Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências dos Materiais - HotelSummerville Resort - Porto de Galinhas/PE - 24 a 28 de novembro de 2008 -
Apresentação de trabalho sob o título: “Investigação das propriedades mecânicas e
da estrutura cristalina de nanocompósitos PA6/EPDM/Argila organofílica”.
XII Encontro Regional da Sociedade Brasileira de Química – InstitutoNacional de Tecnologia – Rio de Janeiro/RJ – 30 de novembro a 3 dezembro de
2009 - Apresentação de trabalho sob o título: “Investigação da cristalinidade e
propriedades térmicas e mecânicas dos nanocompósitos de PA6”.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO............................................................................. ....... 23
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.............................................................. 24
1.1 Nanocompósitos versus compósitos............................................. 24
1.2 Argila e argilominerais..................................................................... 26
1.2.1 Argila e argilominerais ....................................................................... 26
1.2.2 Classificação dos argilominerais......................................................... 27
1.2.3 Modificação do argilomineral – montmorilonita (MMT)....................... 28
1.3 Métodos de preparação de nanocompósitos de polímero/argila.. 29
1.4 Tipos de nanocompósitos................................................................ 30
1.5 Caracterização de nanocompósitos................................................ 31
1.6 Propriedades dos nanocompósitos................................................ 33
1.7 Nanocompósitos de poliamida 6/argila........................................... 34
1.8 Tenacidade......................................................................................... 36
1.8.1 Tenacidade.......................................................................................... 361.8.2 Tenacificação de misturas poliméricas..................................................... 37
1.8.3 Tenacificação de nanocompósitos à base de PA 6 e argila................ 38
2 OBJETIVO........................................................................................... 39
3 MATERIAIS E MÉTODOS................................................................... 40
3.1 Materiais............................................................................................. 40
3.2 Equipamentos utilizados................................................................... 41
3.3 Métodos.............................................................................................. 43
3.3.1 Preparação dos nanocompósitos........................................................ 43
3.3.2 Secagem dos materiais....................................................................... 45
3.3.3 Processamento em câmara de mistura............................................... 45
3.3.4 Moagem e armazenamento................................................................. 45
3.3.5 Preparação dos corpos de prova......................................................... 46
3.3.5.1 Moldagem por injeção.......................................................................... 46
3.3.5.2 Moldagem por compressão................................................................. 47
3.4 Caracterização dos nanocompósitos.............................................. 47
3.4.1 Determinação do índice de fluidez (IF)................................................ 47
3.4.2 Análise por reometria de placas paralelas.......................................... 47
3.4.3 Análise por calorimetria diferencial de varredura (DSC).................... 48
3.4.4 Análise por termogravimetria (TGA) .................................................. 48
3.4.5 Análise por difração de raios X (DRX) ............................................... 49
3.4.6 Avaliação das propriedades mecânicas............................................. 50
3.4.6.1 Ensaio de resistência à tração............................................................ 50
3.4.6.2 Ensaio de resistência ao impacto....................................................... 50
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO......................................................... 51
4.1 Avaliação do efeito do teor de argila organofílica nascaracterísticas do compósito com PA 6......................................... 51
4.1.1 Processabilidade................................................................................. 51
4.1.2 Propriedades reológicas..................................................................... 53
4.1.3 Dispersão da argila organofílica nos nanocompósitos de PA6.......... 57
4.1.4 Propriedades térmicas..................................................................... ... 59
4.1.5 Estrutura cristalina.............................................................................. 61
4.1.6 Estabilidade térmica........................................................................... 63
4.1.7 Propriedades Mecânicas.................................................................... 65
4.1.7.1 Resistência ao Impacto IZOD............................................................. 65
4.1.7.2 Resistência à tração........................................................................... 66
4.2 Avaliação do efeito do teor de elastômero do tipo EPDM eEPDM-MA nas características do nanocompósito com PA 6 eargila organofílica............................................................................. 68
4.2.1 Processabilidade................................................................................. 68
4.2.2 Propriedades reológicas..................................................................... 73
4.2.3 Difração de raios - X........................................................................... 80
4.2.4 Propriedades térmicas........................................................................ 81
4.2.5 Estrutura cristalina.............................................................................. 84
4.2.6 Estabilidade térmica........................................................................... 87
4.2.7 Propriedades Mecânicas.................................................................... 91
4.2.7.1 Resistência ao Impacto IZOD............................................................. 91
4.2.7.2 Resistência à tração........................................................................... 93
5 CONCLUSÃO................................................................................. .... 95
6 SUGESTÕES...................................................................................... 96
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................. 97
ANEXO – Representação esquemática das formas cristalinas e
da poliamida 6..................................................................................... 103
23
INTRODUÇÃO
A aplicação de nanopartículas como cargas reforçadoras em materiais
(inorgânicos ou orgânicos) é muito atraente, pois essas apresentam propriedades
distintas dos materiais macrocristalinos quimicamente análogos. Vários autores têm
relatado alterações nas propriedades ópticas, elétricas, térmicas e/ou mecânicas de
um material, na medida em que se passa da forma macrocristalina para um material
constituído por partículas de dimensões nanométricas. O emprego dessas cargas
com maiores áreas específicas leva à produção de novos materiais, denominados
de nanocompósitos (ESTEVES et al.,2004; COELHO et al., 2007).
Atualmente, o interesse por nanocompósitos de materiais poliméricos tem se
expandido e vem ocupando espaços antes pertencentes a materiais como às
cerâmicas e os metais. Essas novas aplicações requerem, necessariamente, novas
propriedades que muitas vezes o polímero puro não possui.
O desenvolvimento de nanocompósitos com matrizes poliméricas,
especialmente aqueles com silicatos em camadas, representam uma alternativa aos
compósitos desenvolvidos com cargas convencionais. Esse material é constituído
por híbridos de materiais orgânicos e inorgânicos, onde o material inorgânico (fase
inorgânica) está dispersa em nível nanométrico em uma matriz polimérica
(ESTEVES et al.,2004; RODRIGUES. et al., 2007).
A fase inorgânica mais utilizada para dispersão na matriz polimérica é a
bentonita, que tem como argilomineral predominante a montmorilonita. Essa argila é
a mais usada na preparação de nanocompósitos poliméricos devido a elevada
razão de aspecto e boa capacidade de delaminação. Contudo, a argila não
apresenta uma boa interação com os polímeros. Desse modo, tratamentos prévios
na superfície das argilas com cátions surfactantes do tipo alquilamônio primário,
secundário, terciário ou quaternário são comumente realizados para melhorar a
interação polímero/argila (compatibilidade) (PAIVA et al.,2006; SOUZA et al., 2006).
Os efeitos da nano-escala e da interação carga-matriz resultam em melhores
propriedades de barreira, mecânicas (resistência à tração e módulo elástico),
térmicas (temperatura de deflexão térmica – HDT), ópticas e retardância de chama
entre outras. Dessa forma, os nanocompósitos podem apresentar propriedades
similares ou superiores quando comparados à matriz pura e aos compósitos
24
convencionais mesmo quando empregados em baixos teores em peso de argila
modificada organicamente (ARAÚJO et al.,2003; SOUZA et al., 2006).
Infelizmente, aumentos de dureza, limite de escoamento e limite de
resistência, por meio, por exemplo, de modificações estruturais, estão
frequentemente associados com perdas de tenacidade. Dessa maneira, a adição de
agentes modificadores como materiais elastoméricos e/ou polímeros funcionalizados
ao sistema polímero/argila modificada organicamente, utilizando processo de
mistura no estado fundido, tem levado a melhorias na resistência ao impacto. A
facilidade no processamento e a modificação na resistência ao impacto é o alvo do
estudo para apresentação nessa dissertação, especialmente o sistema PA6/Argila
organofílica.
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1 Nanocompósitos versus compósitos
Segundo Esteves e colaboradores (2004), nanocompósitos são materiais
híbridos em que pelo menos um dos componentes tem dimensões nanométricas. Os
componentes de um nanocompósito podem ser de natureza inorgânica/inorgânica,
inorgânica/orgânica ou ainda orgânica/orgânica. As interações entre estes
componentes podem influenciar a dinâmica molecular dos nanocompósitos
resultando em alterações significativas nas suas propriedades físicas, principalmente
no seu comportamento térmico e/ou mecânico.
Segundo Ray (2006), compósito pode ser definido como sendo materiais
constituídos por uma mistura de dois ou mais componentes ou fases distintas
(geralmente combinados em escala macroscópica). Dependendo da natureza da
matriz, materiais compósitos podem ser subdivididos em três categorias tais como:
metálicos, cerâmicos e poliméricos. Segundo Coelho e colaboradores (2004),
compósitos de matriz polimérica convencionais são materiais importantes
comercialmente, com aplicações que incluem polímeros e elastômeros carregados
com partículas de diâmetros variando de 1 mm até alguns micrometros. A otimização
25
das propriedades dos compósitos têm sido obtida através da diminuição de uma ou
mais de uma das dimensões das partículas na faixa micrométrica, associada à
modificação da sua superfície. Uma variedade de materiais inorgânicos, tais como
fibra de vidro, carbonato de cálcio, talco e caulim têm sido usados com sucesso
como cargas de dimensões modificadas para a melhoria do desempenho mecânico
desses compósitos. Contudo, isso somente pôde ser alcançado em materiais com a
adição de elevadas percentagens de cargas (teores acima de 40% em peso).
Os termos, híbrido e compósito, têm sido frequentemente utilizados como se
fossem sinônimos, porém eles diferem entre si nas dimensões e na dispersão de
seus componentes. Na maioria dos materiais compósitos, a unidade estrutural
avaliada comercialmente é o micrometro µm (10-6m) na escala de comprimento,
onde estão geralmente presentes em proporções superiores a 5% em uma matriz.
Por outro lado, materiais híbridos estão dispersos em escala nanométrica (10-9) a
submicrométrica na escala de comprimento e é aproximadamente 10.000 vezes
menor que um fio de cabelo, o que permite a obtenção de materiais homogêneos
(RAY, 2006).
Morfologicamente, o formato das partículas componentes das cargas é
apresentado em isodiamétrico (cubo ou esfera) ou anisodiamétrico (fibra ou placa).
Figura 1 - Comparação esquemática entre as dimensões de um microcompósito e
um nanocompósito (RAY, 2006).
“ Macro” – compósito:
“ Nano” – compósito:
ReforçoRegião
interfacial Carga
“ Macro” – compósito:
“ Nano” – compósito:
ReforçoRegião
interfacial Carga
26
As argilas são apresentadas no formato de fibras ou placas cujo fator de
forma (relação comprimento/espessura) é alta e somente podem ser observados
diretamente por microscopia eletrônica de transmissão (MET).
Por outro lado, algumas partículas de dimensões submicrométricas são
visualizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). A Figura 1 compara a
morfologia de um compósito com carga convencional e de um híbrido com uma
carga de dimensão nanométricas (RAY, 2006).
Vários tipos de nanocargas estão em desenvolvimento. Entre essas
nanocargas, estão as nanopartículas de óxidos metálicos, nanotubos de carbono,
nanotubos inorgânicos e etc. Nas duas últimas décadas, diversos autores
começaram a estudar nanocompósitos de natureza inorgânica/orgânica,
principalmente nanocompósitos de matrizes poliméricas. Dentre os sistemas
estudados, os mais promissores são os compostos baseados em polímeros
orgânicos e argilominerais inorgânicos consistindo de silicatos em camadas.
1.2 Argila e argilominerais
1.2.1 Argila e argilominerais
Argila é uma rocha constituída essencialmente por um grupo de minerais que
recebem o nome de argilominerais. Esses argilominerais são silicatos de Al, Fe e Mg
hidratados com estruturas em camadas (filossilicatos). São constituídos por folhas
contínuas de tetraedros SiO4, ordenados de forma hexagonal, condensados com
folhas octaédricas de hidróxidos de metais tri (Al+3) e divalentes, unidas entre si por
átomos de oxigênio comuns às folhas. A maioria dos argilominerais é constituída
essencialmente por partículas (cristais) com algumas dimensões, geralmente, abaixo
de 2 μm. Os argilominerais são muitas vezes chamados de silicatos em camadas ou
filossilicatos. A Figura 2 ilustra, lateralmente, duas camadas sucessivas 2:1 de
montmorilonita.
Alguns argilominerais podem conter uma fração com dimensões na faixa de 1
a 100 nm. Essa faixa recebe o nome de nanométrica. Portanto, os termos argila e
27
argilomineral referem-se a materiais encontrados na natureza. Existem cerca de 40
argilominerais e somente poucos possuem algumas propriedades específicas de
valor tecnológico (RAY, 2006; ALEXANDRE et al., 2000; PAIVA et al., 2006; LIU et
al., 2006; COELHO et al., 2007).
Figura 2 – Estrutura dos filossilicatos 2:1 mostrando duas camadas de alumínio com
cátions sódio nas galerias (PAIVA et al., 2006; LIU et al., 2006).
1.2.2 Classificação dos argilominerais
Os diferentes argilominerais são classificados em grupos com base nas
semelhanças em composição química e na estrutura cristalina. As estruturas
cristalinas são classificadas em 2 tipos: estruturas 1:1 e estruturas 2:1.
Nas estruturas 1:1, estão os grupos: da caulinita; das serpentinas; dos
argilominerais ferríferos. Nas estruturas 2:1 estão os grupos: do talco-pirofilita; das
micas; das esmectitas; das vermiculitas; das cloritas; da paligorsquita (atapulgita) –
sepiolita. Tanto as estruturas 1:1 quanto as estruturas 2:1 podem sofrer intercalação
por moléculas eletricamente neutras, orgânicas e/ou inorgânicas. Contudo, as
Camada Tetraédrica
Camada Tetraédrica
Camada Octaédrica~1 nm
Espa
çam
ento
bas
al
Cátions trocáveis
Na, Ca, Li
O
OH
Al, Fe, Mg, Li
Camada Tetraédrica
Camada Tetraédrica
Camada Octaédrica~1 nm
Espa
çam
ento
bas
al
Cátions trocáveis
Na, Ca, Li
O
OH
Al, Fe, Mg, Li
28
estruturas 1:1 de modo geral, possuem distância de 7,16Å (0,716nm)
aproximadamente entre dois planos de oxigênios equivalentes em camadas
sucessivas quando comparados com as estruturas 2:1 que possui distância de
15,4Å (1,54nm) aproximadamente entre dois planos de oxigênios equivalentes em
camadas sucessivas. Desse modo, as estruturas 2:1 desses filossilicatos
(montmorilonita) apresentam condições favoráveis para o aumento da distância
interpalanar basal em relação às estruturas 1:1. Esse aumento entre as camadas do
silicato pode influenciar muito o desempenho final do material (RAY, 2006;
ALEXANDRE et al., 2000; PAIVA et al., 2006; LIU et al., 2006; COELHO et al.,
2007).
A montmorilonita usada para obtenção de nanocompósitos polímero/argila
deve ser modificada organicamente com sais quaternários de amônio, fosfônio,
piridínio entre outros para melhorar a sua interação com a matriz de polímero.
1.2.3 Modificação do argilomineral – montmorilonita (MMT)
A montmorilonita em seu estado natural tem caráter hidrofílico. Para haver
uma boa dispersão em matrizes poliméricas é necessário torná-la organofílica. Isso
é feito por meio de um processo de modificação superficial das camadas dos
silicatos, permitindo melhor interação da argila com polímeros. As argilas
organofílicas têm sido obtidas a partir da adição de cátions surfactantes do tipo
alquilamônio (com pelo menos 12 ou mais átomos de carbono em sua cadeia) em
dispersões aquosas de argilas esmectíticas sódicas que proporcionam a expansão
entre as galerias, facilitando assim a incorporação das cadeias poliméricas. Nessas
dispersões aquosas, as partículas elementares ou lamelas, devem encontrar-se (em
maior ou menor grau) separadas das outras e não empilhadas (tactóides). Os íons
alquilamônio permitem reduzir a energia superficial da argila, melhorando a sua
molhabilidade com a matriz polimérica (RAY, 2006; ALEXANDRE et al., 2000).
29
1.3 Métodos de preparação de nanocompósitos de polímero/argila
A produção de nanocompósitos de polímero/argila pode ser realizada
basicamente de três formas: por meio de polimerização in situ, em solução e
preparação no estado fundido.
A polimerização in situ foi a primeira estratégia usada para produzir
nanocompósitos de polímero/ argila. É similar ao método em solução (que será
comentado posteriormente), exceto que no lugar do solvente é utilizado um
monômero como meio para dispersão da argila. Portanto, a argila organofílica é
inchada no monômero e a esfoliação completa ocorre em casos favoráveis.
Acredita-se que a força motriz indireta para a esfoliação é a polimerização. A argila,
devido à sua alta energia de superfície, atrai moléculas monoméricas polares para
suas galerias até o equilíbrio ser estabelecido. As reações de polimerização
ocorrem entre as camadas de polaridade mais baixas das moléculas intercaladas e
deslocam o equilíbrio, permitindo que novas espécies polares se difundam entre as
camadas para progressivamente esfoliar a argila.
No método de preparação de nanocompósito polímero/argila em solução
tanto a argila organofílica quanto o polímero são dissolvidos em um solvente
orgânico polar como clorofórmio, tolueno e benzeno.
O aumento da entropia devido à dessorção das moléculas de solvente
permite que as cadeias poliméricas se difundam entre as camadas da argila,
compensando a sua perda de entropia conformacional. Após a evaporação do
solvente é obtido um nanocompósito intercalado. A grande quantidade de solvente
utilizada por esse método representa uma desvantagem do ponto de vista comercial
e ambiental.
O processo de intercalação a partir do estado fundido tem sido estudado por
diversos autores nas últimas décadas (FISCHER, 2003; LEBARON et al., 1999).
Nesse processo, um polímero termoplástico é misturado mecanicamente com uma
argila organofílica em elevadas temperaturas. A processabilidade da mistura por
cisalhamento e as possíveis interações químicas que possam ocorrer no sistema
resultante provocam intercalação e/ou esfoliação entre as cadeias do polímero e as
camadas individuais de silicato da argila.
Nesse processo, a força motriz envolvida contribui de forma entálpica para as
interações polímero/argila organofílica. Esse método vem se tornando cada vez mais
30
popular, pois os nanocompósitos envolvendo termoplásticos podem ser processados
por métodos convencionais (extrusão e moldagem por injeção).
As vantagens de formar nanocompósitos por intercalação no estado fundido
representam, ambientalmente, uma forma correta devido à ausência de solventes
orgânicos. Além disso, minimiza custos devido a sua compatibilidade com os
processos de transformação de termoplásticos utilizados pela indústria (RAY, 2006;
ALEXANDRE et al., 2000; PAIVA et al., 2006; LIU et al., 2006).
1.4 Tipos de nanocompósitos
Três principais tipos de estruturas apresentadas na Figura 3 podem ser
obtidos quando uma argila é dispersa em uma matriz polimérica.
Figura 3 – Estrutura dos nanocompósitos (LIU et al.; 2006).
I. Estrutura de fase separada (tactóides): quando as cadeias poliméricas
não intercalam as camadas de argila, levando à obtenção de uma estrutura
com propriedades similares às de um compósito convencional;
Argila Polímero
Estrutura de faseseparada
(Microcompósito)
EstruturaIntercalada
(Nanocompósito)
EstruturaEsfoliada
(Nanocompósito)
Argila Polímero
Estrutura de faseseparada
(Microcompósito)
EstruturaIntercalada
(Nanocompósito)
EstruturaEsfoliada
(Nanocompósito)
31
II. Estrutura intercalada: quando as cadeias poliméricas são intercaladas
entre as camadas de argila, formando uma estrutura multicamada bem
ordenada, que apresenta propriedades superiores à de um compósito
convencional;
III. Estrutura esfoliada: onde a argila é completa e uniformemente dispersa
em uma matriz polimérica, intensificando as interações polímero/argila com
melhorias significativas nas propriedades físicas e mecânicas (RAY, 2006;
ALEXANDRE et al., 2000; PAIVA et al., 2006; LIU et al., 2006).
1.5 Caracterização de nanocompósitos
As estruturas dos nanocompósitos de matrizes poliméricas podem ser
caracterizadas, principalmente, pelas técnicas de DRX e Microscopia Eletrônica de
Transmissão (MET). A análise por MET mostra qualitativamente a amostra como um
todo, permitindo uma compreensão qualitativa da estrutura interna, distribuição
parcial de fases, e uma visão do defeito estrutural através da visualização direta,
complementando os resultados de uma análise por DRX.
Figura 4 – MET de Nanocompósitos de EVA/argila organofílica: (a) Nanocompósitos
de EVA/alquilamônio primário, (b) Nanocompósitos de EVA/alquilamônio secundário
e (c) Nanocompósitos de EVA/alquilamônio terciário (ZHANG, 2003).
(a) (b) (c)(a) (b) (c)
32
Na Figura 4, W. Zhang e colaboradores (2003) prepararam três
nanocompósitos de poli(etileno-co-acetato de vinila) (EVA) com argilas modificadas
por diferentes surfactantes de amônio. A análise por MET revelou três tipos de
estruturas: tactóides (a), intercalado (b) e parcialmente esfoliado (c) com diferentes
surfactantes de alquilamônio primário, secundário e terciário respectivamente.
Para a técnica de Difração de raios X, picos de baixo ângulo em DRX
permitem uma qualificação de mudanças no espaçamento interlamelar. Alexandre e
colaboradores (2000) mostraram o aumento do espaçamento lamelar indica a
ocorrência de intercalação (5.b), enquanto que o desaparecimento do pico de
difração indica uma possível esfoliação da argila (5c)(Figura 5).
Figura 5 – Representação esquemática de nanocompósitos com a ocorrência ou não
de intercalação e esfoliação. (a) microcompósito de fase separada de polietileno
(PE)/hectofluorita modificada; (b) nanocompósito intercalado de
poliestireno/hectofluorita modificada; (c) nanocompósito parcialmente esfoliado de
borracha de silicone/hectofluorita modificada (ALEXANDRE et al.; 2000).
As propriedades mecânicas são afetadas pelo tipo de estrutura obtida
durante a preparação do nanocompósito. Melhorias nas propriedades mecânicas
(resistência à tração, módulo, dureza) estão relacionadas com a dispersão e as
interações interfaciais polímero/argila.
3.0 nm
2.2 nm
1.5 nm
1.1 nm
intercalado
delaminado
imiscível
(c)
(b)
(a)
Inte
nsid
ade
(u.a
)
2
3.0 nm
2.2 nm
1.5 nm
1.1 nm
intercalado
delaminado
imiscível
(c)
(b)
(a)
Inte
nsid
ade
(u.a
)
2
33
A reologia também tem sido muito utilizada como ferramenta auxiliar para
investigar o comportamento dos nanocompósitos. As propriedades viscoelásticas
lineares e não lineares são afetadas pela dispersão da argila na matriz polimérica e
pela interação entre o polímero e a superfície das lamelas dos organossilicatos. É
uma técnica de baixo custo e de rotina menos demorada em relação ao DRX e MET
(ZHAO et al.,2005; WAGENER et al., 2003).
1.6 Propriedades dos nanocompósitos
Os nanocompósitos, com o teor de argila na ordem de 2 até 10%, podem
apresentar melhorias significativas nas propriedades em relação às propriedades
dos polímeros puros. As melhorias incluem:
• Propriedades mecânicas, tais como, tração, módulo, resistência à fratura;
• Propriedades de barreira, tais como a permeabilidade e resistência a
solventes;
• Propriedades ópticas;
• Condutividade iônica.
Essa vantagem de adição de menor teor de argila apresenta implicações
importantes, pois níveis mais baixos de reforços contribuem para produção de
componentes mais leves que é um fator desejável em muitas aplicações,
especialmente em transportes onde a eficiência de uso de combustível é bastante
importante. Além disso, são também importantes para aplicações onde são
toleradas pequenas perdas nas propriedades das matrizes, como por exemplo,
ductilidade e resistência ao impacto.
Outras propriedades incluem o aumento da estabilidade térmica e a
retardância a chama em níveis muito baixos de reforço. A maior estabilidade térmica
está relacionada com a diminuição da difusão das moléculas de oxigênio para o
interior do nanocompósito devido à barreira formada pelas partículas da argila.
Assim, sem o oxigênio, principal fator de deterioração do polímero, o nanocompósito
é mais resistente à degradação oxidativa (SOUZA et al.;2006).
34
1.7 Nanocompósitos de poliamida 6/argila
Os nanocompósitos polímero/argila tiveram maior importância do ponto de
vista da aplicação industrial a partir do desenvolvimento feito por um grupo de
pesquisadores da Toyota na década de 80. Eles obtiveram nanocompósitos de PA6
e argila modificada organicamente por meio do processo de polimerização in situ da
ε-caprolactama. Desde então, estratégias químicas similares têm sido descritas
para muitos polímeros. O processo de polimerização desenvolvido pela Toyota é
ilustrado na Figura 6 (FORNES et al.; 2005).
Figura 6 – Formação de nanocompósito de PA 6 por polimerização in situ (Toyota)
(FORNES et al.; 2005).
A montmorilonita (MMT) sódica é misturada com α,ω-aminoácidos (ácido
aminoláurico) em uma solução de ácido clorídrico (HCl) para protonar o ácido
aminoláurico. O ácido aminoláurico funciona como modificador da argila. Dessa
maneira, ocorrerá uma modificação na superfície da MMT através da troca de íons
sódio, presentes em lacunas da MMT (galerias), por cátions de sais alquilamônio
MMT sódica
H2N (CH2)10COOH
HCl (aq)
monômero
caprolactama argila
PA 6
PA 6
polimerização
placas
camadade silicato
MMT sódica
H2N (CH2)10COOH
HCl (aq)
monômero
caprolactama argila
PA 6
PA 6
polimerização
placas
camadade silicato
35
com grupos carboxílicos terminais. Em função das condições reacionais
empregadas, os grupos carboxílicos terminais da argila modificada inicia a
polimerização do ε-caprolactama por abertura de anel para formar cadeias alifáticas
lineares de poliamida 6 ligadas ionicamente às lamelas dos silicatos. O crescimento
dessas cadeias, conduzido pela energia livre da polimerização, força as camadas
dos silicatos em lamelas a se separarem umas das outras. Esse processo de
polimerização levou à formação de um nanocompósito completamente esfoliado.
O resultado foi um aumento significativo no desempenho físico, mecânico e
térmico quando comparados com às do polímero puro.
A preparação no estado fundido (extrusão, misturadores, moldagem por
injeção) de nanocompósitos de PA6/argila representa uma nova alternativa para a
obtenção de nanocompósito esfoliado com aumentos significativos também nas
propriedades mecânicas e térmicas em relação às propriedades dos polímeros
virgens e compósitos convencionais (FORNES et al.; 2003).
A literatura contém numerosos estudos sobre o método de intercalação no
estado fundido para a preparação de nanocompósitos onde principalmente a
poliamida, polipropileno, poliestireno, polietileno e resina epóxi são usados como
matrizes poliméricas. É evidente que a polaridade do polímero é importante para
permitir a inserção das moléculas dentro das galerias da argila.
A poliamida 6 (PA6), por exemplo, é um polímero polar alifático linear que
possui funcionalidade inerente, através dos grupos (-CO-NH) espaçados
regularmente e com altas atrações intermoleculares. Exibe boas propriedades
mecânicas como módulo de elasticidade e boa estabilidade dimensional à
temperaturas elevadas dentre outras(CHANDA et al.; 2009).
A alta resistência que esses materiais possuem se deve às interações do tipo
ligações de hidrogênio, formadas pelas carbonilas de uma cadeia e o hidrogênio da
ligação amida da outra cadeia. A Figura 7 ilustra a interação entre o hidrogênio e a
carbonila dos grupos amida (HARADA et al.; 2005).
Contudo, algumas propriedades da poliamida 6 necessitam de melhorias,
como a baixa temperatura de deflexão térmica (HDT). Desse modo,
nanocompósitos de PA6 têm apresentado bom desempenho mecânico e aumento
na HDT com adições mínimas de argilas modificadas com surfactantes quaternários
de amônio. Os cátions surfactantes do tipo alquilamônio quaternário terminais
presente nas lamelas da argila são polares e interagem com os grupos terminais da
36
poliamida (NH2) através da interação do tipo ligação de hidrogênio. Quando as
argilas organofílicas são incorporadas ao polímero, o caráter de reforço que as
partículas da argila conferem à poliamida deve-se às restrições da mobilidade das
cadeias poliméricas em contato com as partículas da argila. Por outro lado, o
desempenho mecânico sob o impacto é reduzido nas condições de temperatura
ambiente. Desse modo, para aumentar a tenacidade dos nanocompósitos de PA6
com argila, elastômeros e/ou polímeros funcionalizados com anidrido maleico têm
representado uma alternativa atraente como modificadores de impacto. No próximo
item, será feita uma ligeira abordagem sobre a tenacidade de polímeros, de suas
misturas e nanocompósitos.
Figura 7 – Interações do tipo ligações de hidrogênio entre a carbonila e o hidrogênio
dos grupos amida (HARADA et al.; 2005).
1.8 Tenacidade
1.8.1 Tenacidade
Segundo Guimarães e colaboradores (2002), a tenacidade é uma das
características mais relevantes que determina se um dado polímero pode ser usado
ou não como material de engenharia. Nas misturas de termoplásticos reforçados
com elastômeros, quando se aplica uma tensão, as partículas elastoméricas
37
dispersas concentram ou absorvem essa tensão da fase matricial, provocando uma
alteração do estado de tensão da fase matricial e uma intensa deformação plástica.
A absorção-dissipação de energia pelas partículas dispersas se processa por
diferentes mecanismos, tais como, cavitação (ruptura), deformação plástica
(escoamento) ou por duplo processo de cavitação-deformação.
1.8.2 Tenacificação de misturas poliméricas
A eficiência da tenacificação depende em geral do tipo específico do
modificador empregado (elastômero, agente compatibilizante, plastificante) e de
alguns parâmetros relacionados como a fração volumétrica, tamanho e distribuição
de tamanhos de partícula, distância entre as partículas, temperatura de transição
vítrea (Tg) e afinidade química com a matriz ou nível de adesão interfacial entre os
polímeros constituintes (COUTINHO et al., 2007; GUIMARÃES et al.; 2002). Como
exemplo, a Figura 8 (a) e (b) mostra a fotomicrografia por SEM de PA6 com a
presença dois tipos de elastômeros de natureza distinta.
Figura 8 – MEV das misturas extrusadas de PA6/mEPDM/EPDM-MA. (a)
PA6/mEPDM; (b) PA6/mEPDM/EPDM-MA (GALLEGO et al.;2003).
Na Figura 8 (a), os domínios grandes evidenciados pela área escura representam a
fase do EPDM e a área acinzentada clara representa a matriz de PA6. Por outro
lado, a utilização de um agente compatibilizante (EPDM-MA) favorece a diminuição
5 μm 5 μm5 μm 5 μm
38
da tensão interfacial, resultando na melhor interação entre as fases com diminuição
dos domínios. Isso pode ser visualizado na Figura 8 (b). Essa diminuição dos
domínios pode ser atribuída à formação do copolímero graftizado PA6-g-EPDM-
mEPDM devido à presença do elastômero funcionalizado com anidrido maleico, que
melhorou a processabilidade da mistura (GALLEGO et al.;2003).
1.8.3 Tenacificação de nanocompósitos à base de poliamida 6 e argila
Segundo Kusmono e colaboradores (2008), nanocompósitos à base de
termoplásticos e argila, especialmente com montmorilonita modificada
organicamente com sais quaternários de amônios têm sido investigados com grande
afinco desde a década de 90. Um dos sistemas mais estudados recentemente são
os nanocompósitos a base de poliamida 6 (PA6), contendo apenas uma fração de
argila.
Segundo Kontopoulou e colaboradores (2002), as interações em nível
atômico entre argilas modificadas e polímeros funcionais constituem a base para o
preparo de uma importante classe de materiais híbridos nano-estruturados. Em
geral, são usados polímeros de alta energia superficial, como as poliamidas, onde a
polaridade e as interações do tipo ligação de hidrogênio têm a capacidade de gerar
considerável adesão entre o polímero e a fase da argila.
A presença de argilas modificadas organicamente em mistura com poliamida
6 promove melhorias nas propriedades mecânicas (resistência a tração e módulo
elástico), na temperatura de deflexão ou distorção térmica (HDT), nas propriedades
de barreira e reduz a flamabilidade. No entanto, há uma redução significativa no
alongamento da ruptura desses materiais com teores crescentes de nanocarga. O
uso desses nanocompósitos pode ser limitado pela perda da tenacidade. Dessa
maneira, esforços consideráveis têm sido feitos para superar essa limitação.
Misturas de poliamida 6 e argila têm sido preparadas com a incorporação de
outros termoplásticos ou elastômeros e/ou agentes compatibilizantes para aumentar
a tenacidade desses materiais. Contudo, a principal falha nas misturas com
elastômeros tenacificado é a redução significativa do módulo elástico, resultante da
adição da fase elastomérica.
39
Na literatura, muitos pesquisadores têm investigado a tenacificação de
nanocompósitos com elastômeros ou termoplásticos e/ou agentes compatibilizantes.
Segundo Ishak e colaboradores (2005), a adição do copolímero graftizado de
estireno-butileno-etileno-estireno modificado com anidrido maleico (SEBS-g-MA) em
nanocompósitos à base de PA6 e PP foi investigada. Os autores perceberam que a
adição de SEBS-g-MA aumentou a ductilidade e a resistência ao impacto de
nanocompósitos de PA6 com 4% de argila modificada organicamente à custa da
rigidez e da resistência à tração. Essa melhoria também foi alcançada com
nanocompósitos de PP com 4% de argila modificada organicamente.
Chiu e colaboradores (2005) também investigaram nanocompósitos de
PA6/argila organofílica com elastômero de polietileno-octeno modificado com
anidrido maleico (POE-g-MA). Eles perceberam que a adição de POE-g-MA levou à
redução do módulo elástico e da resistência à tração. Por outro lado, observaram-se
aumentos significativos no alongamento da ruptura e resistência ao impacto. Esse
notável aumento pode ser atribuído a interação entre o grupo anidrido do POE-g-MA
e a amina terminal da PA6.
Kelnar e colaboradores (2005) mostraram que a tenacificação é usualmente
efetiva quando o tamanho das partículas do elastômero e das cargas inorgânicas na
fase dispersa apresenta tamanhos menores que 100nm. No entanto, a cristalinidade
desses materiais pode, de modo geral, promover reduções na tenacidade. Nos
nanocompósitos de PA6, a forma cristalina prodominante é a que é menos estável
e cresce perpendicularmente nas camadas da argila em vez da forma cristalina α,
que é mais estável termodinamicamente e cresce paralelamente a superfície da
carga.
2 OBJETIVO
O objetivo dessa dissertação de mestrado é produzir nanocompósitos,
utilizando poliamida 6 como matriz orgânica e nanopartículas inorgânicas do tipo
montmorilonita modificada com sais quaternários de amônio. Além disso,
modificadores de impacto como EPDM e EPDM-MA foram inseridos ao sistema
poliamida 6/argila, visando preservar a tenacidade da matriz principal.
40
Esses materiais foram preparados com a utilização da técnica de intercalação
no estado fundido ou por fusão, em câmara de mistura interna.
De maneira mais específica foram estudados a influência do teor de argila
organofílica e do tipo e teor de elastômero adicionado à matriz de PA6 para
avaliação da morfologia (grau de dispersão, cristalinidade, propriedades térmicas e
mecânicas) dos compósitos obtidos.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
A seguir são apresentados os materiais, os equipamentos e as metodologias
empregadas para o processamento e a caracterização dos nanocompósitos de
poliamida 6.
3.1 Materiais
Os produtos químicos utilizados encontram-se relacionados a seguir:
Poliamida 6 (PA6) MAZMID B260, na forma de pellets, adquirido junto a
Mazzaferro Indústria Comércio de Polímeros e Fibras LTDA; MFI (230°C/2,16
Kg) = 22-35 g/10min; densidade = 1,14 g/cm3, usada como recebida.
Terpolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM) keltan® 21, gentimente cedido
pela DSM Elastômeros S.A.; peso molecular Mn = 30000 g/mol; densidade =
0,8597 g/cm3; razão etileno/propileno = 60:40 em massa; teor 2 etilideno-5
norboneno = 6,3 ± 0,4% em massa; viscosidade mooney (ML) 1+ 4 125°C =
25 ± 4 UM, usado como recebido.
Terpolímero de etileno-propileno-dieno funcionalizado com anidrido maleico
(EPDMMA), teor de anidrido maleico = 1,52% em massa, gentilmente cedido
pela DSM Elastômeros S.A., usado como cedido.
41
Montmorilonita (filossilicatos 2:1) modificada organicamente com cloreto de
dimetildioctadecil amônio (Claytone® 40) adquirido junto a Southern
BUNTECH Tecnologia em Insumos LTDA; contendo 26,64 % em massa de
sal; densidade = 1,6 ± 0,1 g/cm3; Perda de massa a 1000°C = 38,5%;
umidade = 2,0%, usado como recebido.
Irgafos® 126, gentilmente cedido pela Ciba® Specially Chemicals; peso
molecular = 604 g/mol; usado como recebido.
Irganox® 245, gentilmente cedido pela Ciba® Specially Chemicals; peso
molecular = 586,8 g/mol; usado como recebido.
Irganox®1010, gentilmente cedido pela Ciba® Specially Chemicals; peso
molecular = 1178 g/mol; usado como recebido.
3.2 Equipamentos utilizados
Além das vidrarias e aparelhos tradicionais utilizados em laboratório de
pesquisa, foram utilizados também nesta dissertação, os seguintes equipamentos:
Analisador Termogravimétrico (TGA) TA Instruments, modelo SDT Q-600
(DCAP/LACAT/INT).
Aparelho de Impacto para Plásticos EMIC, modelo AIC (DPCM/LAMAP/INT).
Balança Analítica Bioprecisa, modelo FA2104N, com sensibilidade de 0,0001g
(DPCM/LAMAP/INT).
Balança GEHAKA, modelo BG400, com sensibilidade de 0,001g
(DPCM/LAMAP/INT).
Balança METTLER, modelo XS6002S, com sensibilidade de 0,1g
(DPCM/LAMAP/INT).
Calorímetro Diferencial de Varredura (DSC), TA Instruments, modelo Q-100,
com sensibilidade de ± 0,1°C (DPCM/LAMAP/INT).
Difratômetro de Raios X (XRD) Rigaku, modelo Miniflex (DPCM/LAMAP/INT).
Durômetro Portátil Analógico Teclock, modelo Shore D (DPCM/LAMAP/INT).
42
Estufa a Vácuo Economy Vacuum Oven VWR™, modelo 1400E-2
(DPCM/LAMAP/INT).
Máquina Universal de Ensaios EMIC, modelo DL-2000 (DPCM/LAMAP/INT).
Medidor de Índice de Fluidez (MFI) TMI Machine, modelo XNR-400
(DPCM/LAMAP/INT).
Medidor de Temperatura e Umidade Digital Fischer Scientific, modelo 1166121
(DPCM/LAMAP/INT).
Moinho de facas SEIBT, modelo MGHS 1,5/85 1150rpm (LABTEC/IMA/UFRJ).
Mufla NETZSCH com programador tipo PID para aquecimento/resfriamento
(DPCM/LAMAP/INT).
Paquímetro digital Mitutoyo Digimatic Calipers, com sensibilidade de 0,05 mm
(DPCM/LAMAP/INT).
Plaina elétrica de laboratório para entalhe de plástico EMIC, modelo PME
(DPCM/LAMAP/INT).
Prensa de injeção semi-industrial, modelo Battenfeld™ Plus 35-75 35 ton, com
parafuso de diâmetro de 25 mm e razão L/D igual a 15 (DPCM/LAMAP/INT).
Prensa hidráulica aquecida MARCONI, modelo MA098/A400
(DPCM/LAMAP/INT).
Prensa hidráulica equipada com circulação de água MARCONI, modelo
MA098/R5 (DPCM/LAMAP/INT).
Reômetro de Torque Thermo Electron Corporation, modelo Haake Polylab OS
RheoDrive 4 equipado com misturador de câmara interna Rheomix 600 OS,
utilizando rotor do tipo ROLLER (DPCM/LAMAP/INT).
Reômetro Modular Thermo Electron Corporation, modelo Haake MARS
(Modular Advanced Rheometer System) Rheometer, equipado com placas
paralelas, versão Rheowin 3.40 (DPCM/LAMAP/INT).
43
3.3 Métodos
A seguir, são descritos os métodos utilizados para a preparação e
caracterização dos nanocompósitos de PA6 e argila organofílica com e sem EPDM e
EPDMMA.
Com o intuito de visualizar o procedimento experimental adotado no
laboratório, a Figura 9 mostra as principais etapas realizadas para o preparo e
caracterização dos nanocompósitos.
Figura 9 – Diagrama de blocos das principais etapas de preparo e caracterização
dos nanocompósitos de PA6 e argila sem e com EPDM e EPDMMA.
3.3.1 Preparação dos nanocompósitos
PA6
Estufa a vácuo
Argila
Câmara de Mistura
Moagem
Índice de Fluidez
TGA
DSC
InjeçãoCompressão
Reometria dePlacas Paralelas
DRX
Tensão, deformação emódulo elástico
Impacto IZOD
EPDMou
EPDM-MA
44
O estudo de todas as formulações utilizadas nessa dissertação para o
preparo dos nanocompósitos de PA 6, foram feitos a partir dos materiais pesados
em cadinhos de porcelana em balança GEHAKA (modelo BG400), com sensibilidade
de 0,001g. As composições estudadas estão apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1 – Composições estudadas para o preparo dos nanocompósitos.PA6(phr)
Clay 40(phr)
EPDM(phr)
EPDMMA(phr)
A.O.1*(phr)
A.O.2**(phr)
A.O.3***(phr)
100 0 0 0 1 0 0
100 2,5 0 0 1 0 0
100 5 0 0 1 0 0
100 7,5 0 0 1 0 0
100 10 0 0 1 0 0
100 5 5 0 1 0,2 0,3
100 5 10 0 1 0,2 0,3
100 5 15 0 1 0,2 0,3
100 5 20 0 1 0,2 0,3
100 5 0 5 1 0,2 0,3
100 5 0 10 1 0,2 0,3
100 5 0 15 1 0,2 0,3
100 5 0 20 1 0,2 0,3A.O.1* - Antioxidante Irganox 245A.O.2** - Antioxidante Irganox 1010A.O.3*** - Irgafos 126
O preparo das misturas foi dividido em três etapas. Na primeira etapa, as
amostras foram feitas variando-se a concentração do argilomineral claytone 40 na
PA 6. Na segunda e terceira etapa, as amostras foram preparadas variando-se a
concentração de EPDM e EPDMMA na PA6 respectivamente. Tanto na segunda
como na terceira etapa, a concentração de argilomineral adicionado na PA 6 foi fixa
em 5 phr (CHIU et al.,2005; TJONG et al., 2005; ZHANG et al., 2006). O cálculo dos
materiais foi feito em relação ao volume de 69 cm3. Esse valor representa o volume
livre da câmara interna de mistura equipado com os rotores do tipo ROLLER
acoplados ao reômetro de torque, usando o fator de preenchimento de 70%. A
concentração dos materiais foi expressa em partes por 100 partes de resina (phr).
45
3.3.2 Secagem dos materiais
A poliamida 6 e a argila organofílica foram previamente secas em estufa à
vácuo na temperatura de 80°C por 24 horas. Após essa etapa, os materiais foram
armazenados em dessecador por mais 24 horas antes do processamento (HE et al.;
2008).
3.3.3 Processamento em câmara de mistura
Os nanocompósitos de PA 6 foram preparados por intercalação por fusão na
temperatura de 220°C em misturador de câmara interna acoplado a um reômetro de
torque com rotores do tipo “Roller”. A velocidade dos rotores foi ajustada em 80 rpm
e o tempo total de mistura foi de 8 minutos. Foi determinado a partir da curva de
torque versus tempo, o torque final, expresso em Newton-metro (Nm) e a energia
específica, expressa em Joules por grama (J/g), respectivamente. A Figura 10
mostra a ordem e o tempo de adição dos componentes principais no misturador.
Figura 10 – Esquema ilustrativo do preparo de nanocompósitos.
3.3.4 Moagem e armazenamento
Todos os nanocompósitos preparados no misturador foram moídos em um
moinho de duas facas com velocidade de rotação de 1150 rpm. Em seguida, as
0 5min
PA6 Argila EPDM ou EPDM-MA
8 min
Nanocompósito
3min
46
amostras foram armazenadas em dessecador sob vácuo por 48 horas antes da
moldagem por injeção (LÓPEZ et al.; 2005).
3.3.5 Preparação dos corpos de prova
3.3.5.1 Moldagem por injeção
As amostras moídas foram injetadas em uma máquina de injeção semi-
industrial para a obtenção de corpos de prova de dimensões 75 x 20 x 4 mm,
segundo a norma DIN 53504 e 63,5 x 12,7 x 3,2 mm, de acordo com a norma ASTM
D 256-05 para a realização de ensaios de resistência à tração e impacto,
respectivamente. As condições das amostras injetadas são apresentadas na Tabela
2 (TUNG et al., 2005; GONZÁLEZ et al., 2006).
Tabela 2 - Condições utilizadas para injeção das amostras moídas.
Temperatura de Injeção (°C) z0 = 260 / z1 = 262 / z2 = 264
Temperatura do Molde (°C) 25
Tempo de Resfriamento (s) 30
Pressão de Injeção (MPa) p1= 8 / p4 = 9
Pressão de Recalque (MPa) 4
Velocidade de Injeção (%) v1 = 65 / v2 = 60 / v3 = 55 / v4 = 50
Velocidade de rotação da rosca (rpm) 300
z0,z1,z2 - zonas de temp. de alimentação do canhão até a saída (bico) de injeção (z0)v1, v2, v3, v4 - velocidades de injeção no interior do canhão até a saída de injeção (v1)p1, p4 - pressão de injeção no interior do canhão até a saída de injeção (p1)
Parâmetros de Injeção
47
3.3.5.2 Moldagem por compressão
Foram preparados também a partir das amostras moídas e previamente
secas a 80°C e sob vácuo por 24 horas, corpos de prova cilíndricos para ensaio de
reometria de placas paralelas. Os nanocompósitos foram moldados em prensa
hidráulica aquecida a 235°C por 9 minutos a 12 toneladas. Após essa etapa, o
molde foi resfriado até atingir 30°C em uma prensa equipada com circulação de
água por 9 minutos a 12 toneladas. Por fim, os corpos cilíndricos foram
desmoldados.
3.4 Caracterização dos nanocompósitos
3.4.1 Determinação do índice de fluidez (IF)
O ensaio de índice de fluidez (MFI) dos nanocompósitos foi realizado em um
medidor de índice de fluidez na temperatura de 235°C, carga de 0,325kg e tempo de
corte de 10 s, de acordo com o procedimento A da norma ISO 1133. Os resultados
obtidos foram expressos em gramas por 10 minutos (MERT et al., 2008).
3.4.2 Análise por reometria de placas paralelas
As propriedades viscoelásticas dos nanocompósitos foram avaliadas em
reômetro com geometria de placas paralelas de 20 mm de diâmetro e distância entre
as placas de 1 mm na temperatura de 240°C. Determinou-se a partir dos resultados,
a viscosidade complexa ), o módulo de armazenamento G’() e o módulo de
perda G’’(em função da frequência angular na faixa de 0,01 a 100 rad/s. Também
foi realizada varredura de deformação de 0,1% a 500 % (1Hz) para determinação da
faixa de viscoelasticidade linear (SAMYN et al., 2008; CHOW et al., 2007).
48
3.4.3 Análise por calorimetria diferencial de varredura (DSC)
O comportamento das temperaturas de fusão (Tm) e de cristalização (Tc), da
entalpia de fusão (Hm) e o grau de cristalinidade (Xc) dos nanocompósitos foram
determinados por calorimetria diferencial de varredura (DSC) sob atmosfera de
nitrogênio utilizando 5,5 ± 0,1 mg de índio metálico como padrão, de acordo com a
norma ASTM D 3418. O grau de cristalinidade foi calculado pela equação (1):
Xc = (Hm / w Hm) x 100 eq. (1)
onde Hm é obtido através da área do pico endotérmico, Hm é a entalpia de fusão
da substância pura com 100% de cristalinidade, w é a fração em massa da PA 6 no
nanocompósito. O valor de Hm para a PA 6 é de 190, 8 J/g (KUSMONO et al.;
2008).
Para a obtenção das temperaturas de fusão e de cristalização e o grau de
cristalinidade, foram medidos em balança Bioprecisa (modelo FA2104N) cerca de
6,0 ± 0,5 mg de amostras moídas. Com o objetivo de eliminar a história térmica dos
nanocompósitos, as amostras foram submetidas ao aquecimento entre 30°C a
250°C em fluxo de 30 mL/min de nitrogênio e taxa de aquecimento de 10°C/min.
Após essa etapa, realizou-se uma isoterma a 250°C por 5 minutos seguidos de
resfriamento até 70°C e fluxo de nitrogênio. Por fim, realizou-se um novo
aquecimento mantendo as mesmas condições iniciais. Os termogramas de fusão
foram analisados após a segunda corrida de aquecimento.
3.4.4 Análise por termogravimetria (TGA)
As análises foram feitas com cerca de 10,0 mg de amostras pesadas em
cadinho de platina e aquecidas de 20 à 900°C sob atmosfera de nitrogênio com fluxo
de 100 mL/min e taxa de aquecimento de 20°C/min. As temperaturas (T4%) e
49
máximas (Tmáx) de degradação foram determinadas através da curvas de perda de
massa versus temperatura.
3.4.5 Análise por difração de raios X (DRX)
Os difratogramas da argila modificada e de cada amostra foram obtidos em
um difratômetro de raios x com radiação K do cobre (comprimento de onda =
1,5418 Å), tensão de 40 kV, corrente de 30 mA, passo de 0,01°/min. Foram
realizados duas análises para cada amostra com duas condições de varredura
diferentes. A primeira varredura foi feita entre 2θ de 1,5 a 12° e envolve o
acompanhamento da variação da distância interplanar (d001) que pode ser calculado
pela equação (2) como medida da eficiência da intercalação do polímero entre as
camadas da argila (MERT et al., 2008; SAMYN et al., 2008). A segunda varredura foi
realizada entre 2θ de 10 a 50° para verificar o comportamento da cristalinidade dos
nanocompósitos.
n λ = 2 d001 sen θ (lei de Bragg) eq. (2)
A Figura 11 ilustra a região analisada (circundada em vermelho) por difração
de raios x do corpo de prova de dimensões 75 x 20 x 4 mm segundo a norma DIN
53504 (OZKOC et al.; 2008).
Figura 11 - Região do corpo de prova analisado por difração de Raios – X (OZKOC
et al.; 2008).
50
3.4.6 Avaliação das propriedades mecânicas
3.4.6.1 Ensaio de resistência à tração
A avaliação das propriedades mecânicas tais como módulo elástico,
resistência à tração no escoamento e na ruptura, alongamento no escoamento e na
ruptura dos nanocompósitos de PA 6 foram realizadas em máquina universal de
ensaios, com célula de carga de 1KN, velocidade de separação entre as garras de
10 mm/min (GALLEGO et al.; 2008), corpos de prova do tipo S2, temperatura de 23
± 0,3°C e umidade relativa de 70 ± 0,5 %, de acordo com a norma DIN 53504. Os
resultados foram obtidos a partir da média de seis corpos de prova.
3.4.6.2 Ensaio de resistência ao impacto
Os ensaios de resistência ao impacto dos nanocompósitos de PA6 foram
realizados em equipamento de impacto para plásticos no modo Izod com pêndulo de
2,7J de energia nominal. Os corpos de prova, de dimensões 63,5 x 12,7 x 3,2 mm,
foram entalhados a 2,5 ± 0,05 mm de raio de curvatura e ângulo de 45°, de acordo
com a norma ASTM D 256-05 e ISO 179A. O corte das amostras foi feito em um
entalhador acoplado com faca para entalhe em “V” segundo a norma ASTM D 256-
05 e ISO 179A. Os resultados foram obtidos a partir de uma média de 10 corpos de
prova na temperatura de 23 ± 0,3°C e umidade relativa de 70 ± 0,5 %.
51
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Avaliação do efeito do teor de argila organofílica nas características docompósito com poliamida 6
4.1.1 Processabilidade
No estágio inicial do processamento da poliamida e dos nanocompósitos,
observou-se que o carregamento do polímero na câmara acarretou em elevação do
torque. Esse comportamento está associado ao fato da PA6, inicialmente estar na
forma de pellets (Figura 12).
Fig
ura
12
–
Gr
áfi
co
da
s
cur
va
s
de torque em função do tempo da PA6 e seus nanocompósitos com diferentes
teores de argila organofílica.
Após o 1° minuto, o material é comprimido pela redução da viscosidade do
material associado ao efeito da temperatura e da pressão exercida pelos rotores no
polímero, o que reduz o torque da mistura e conseqüente, a viscosidade. A partir do
terceiro minuto, com a adição de teores crescentes de argila modificada, a mistura
começa a apresentar um discreto aumento nos valores do torque. Esse aumento
está diretamente associado ao aumento da viscosidade e que está ilustrado na
Figura 12.
52
A Tabela 3 apresenta os resultados do torque final e da energia específica
(SE) da PA6 e dos seus nanocompósitos produzidos com diferentes teores de argila
organofílica claytone 40. Tais resultados representam a média de quatro corridas
realizadas com seus respectivos desvios padrão.
Tabela 3 – Resultados dos valores médios e seus desvios padrão do torque final e
energia específica (SE) da PA6 e suas composições com diferentes teores de argila.
Argila (phr) Torque (Nm) Energia (J/g)
0 1,8 ± 0,1 292,5 ± 34,3
2,5 1,9 ± 0,1 304,3 ± 23,2
5 2,2 ± 0,1 290,7 ± 28,2
7,5 2,3 ± 0,2 289,4 ± 37,1
10 2,4 ± 0,2 293,8 ± 26,4
Quanto aos valores de torque, pode-se observar um aumento à medida que o
teor de argila aumenta. Além disso, os valores de torque dos nanocompósitos de
PA6 são maiores em relação à matriz de PA6 pura. O discreto aumento no torque
está associado a um aumento na viscosidade do sistema em decorrência da adição
de carga inorgânica, mas sem alteração do volume total no interior da câmara. É
possível que os cátions surfactantes do tipo alquilamônio quaternário presentes nas
lamelas da argila claytone 40 estejam interagindo com os grupos amínicos terminais
da PA6, restringindo a mobilidade das cadeias (MERT et al.; 2008).
Em relação à energia gasta no processamento, nota-se que a variação
observada em função do teor de argila encontra-se dentro da faixa do desvio
padrão. Logo, não houve variação significativa.
Quanto à viscosidade, pode se observar (Tabela 4), que o índice de fluidez
das misturas diminui em relação à PA 6 pura, ou seja, a viscosidade aumenta com a
presença da nanocarga.
Tabela 4 – Influência da quantidade de argila índice de fluidez dos compósitos.
53
Argila (phr) IF (g/10min)
0 4,6 ± 0,2
2,5 3,8 ± 0,1
5 3,1 ± 0,3
7,5 2,6 ± 2,6
10 *
* Não fluiu nas condições estudadas segundo a norma aplicada
Conforme já mencionado, esse aumento da viscosidade pode ser creditado
às interações entre os grupos polares presentes na PA6 e a argila modificada cujas
interações intermoleculares na mistura podem restringir o movimento das cadeias
poliméricas, afetando dessa forma a viscosidade da composição (MERT et al.; 2008;
GONZÁLEZ et al.; 2008).
4.1.2 Propriedades reológicas
A Figura 13 apresenta o gráfico do módulo de armazenamento (G’) em função
da deformação () a partir do qual determinou - se a região de viscoelasticidade
linear da PA6 e dos compósitos.
A região de viscoelasticidade linear é modificada pela presença de teores
superiores a 2,5 phr de claytone 40. Nota-se que em tais nanocompósitos o limite de
viscoelasticidade linear é reduzido de 80% para 4%, em termos de deformação.
Esse comportamento pode ser atribuído à presença das lamelas da argila, que
contribuem para a redução da densidade de emaranhamento das cadeias de
poliamida, em particular da parte amorfa, resistindo menos à deformação cisalhante
imposta pelos pratos do reômetro. Há ainda a formação de uma rede envolvendo as
lamelas da argila, empilhadas ou dispersas que contribuem para o aumento de G’,
que se alinham no sentido do fluxo e contribuem para a redução do limite de
viscoelasticidade linear. Comportamento semelhante encontra-se relatado na
literatura (XU et al.; 2008).
54
Figura 13 – Gráfico do módulo de armazenamento (G’) em função da deformação ()
da PA6 e seus nanocompósitos com diferentes teores de argila organofílica.
A Figura 14 apresenta o gráfico do módulo de armazenamento (G’) em função
da frequência (), obtido a 240°C e deformação fixa de 1%.
Observou-se um aumento dos valores do módulo de armazenamento para
todos os nanocompósitos com diferentes teores de argila em relação à poliamida
pura com o aumento da varredura de frequência.
O exame detalhado da região de baixa frequência da curva de G’ versus ,
até 1,0 rad/s, revela uma tendência discreta de formação de platô, principalmente
para os compósitos contendo teores superiores a 2,5 phr de claytone 40.
Essa tendência é mais claramente demonstrada pelos valores de coeficiente
angular dos pontos iniciais dessa curva que são mostrados na Tabela 5. É possível
notar uma redução desses valores até o teor de 5,0 phr, que tornam a aumentar a
partir desse ponto, porém mantendo-se inferiores ao coeficiente angular da PA6.
55
Figura 14 – Gráfico do módulo de armazenamento (G’) em função da varredura de
frequência (com deformação de 1% da PA6 e seus nanocompósitos com
diferentes teores de argila organofílica.
Tabela 5 – Valores dos coeficientes angulares (inclinação) calculados das curvas de
log G’ em função do log da Figura14 na região de baixas frequências para a PA6
e seus nanocompósitos.
Segundo a literatura (CHOW et al.; 2007), as cadeias da PA6 encontram-se
completamente relaxadas nessa faixa de frequência (até 1,0 rad/s), portanto as
modificações observadas podem ser atribuídas ao grau de dispersão da argila.
Logo, a redução detectada para o coeficiente angular é o resultado do efeito nano-
reforçante das lamelas de argila esfoliadas e/ou intercaladas. Resultados
semelhantes foram relatados na literatura (HOFFMANN et al.; 2000) e dão conta que
quanto maior o valor de G’ e menor o coeficiente angular dos pontos na região de
Clay 40 (phr) Coeficiente angular
0 1,592,5 1,125 0,86
7,5 0,9510 1,03
56
baixa freqüência, mais pronunciado é a interação entre as lamelas, de forma lateral,
para a formação de uma rede tridimensional.
A Figura 15 apresenta a variação da razão entre os módulos elásticos do
nanocompósito e da poliamida em função do teor de argila. É nítido o aumento de G’
de acordo com o teor de claytone 40, na freqüência de 1,0 rad/s tomado como
referência (WANG et al.; 2004). Essa tendência confirma o aumento da rede
tridimensional.
Figura 15 – Razão do módulo de armazenamento do nanocompósito pelo módulo de
armazenamento da poliamida pura (G’PA6nano/ G’PA6 puro).
Como já mencionado, interações físico-químicas entre as lamelas da argila, o
grupo terminal da poliamida e ocasiona o aumento da área de contato em função da
maior dispersão da carga, ou seja, elevada razão de aspecto, também contribuíram
para as modificações do comportamento reológico.
A Figura 16 mostra as curvas de variação da viscosidade complexa (*) em
função da variação de frequência (obtidas a 240°C e deformação fixa em 1%
Observou-se que os valores de viscosidade dos nacompósitos são maiores
do que aqueles da poliamida pura. E ainda que, a viscosidade aumenta em função
da adição de argila modificada, esse comportamento está de acordo com o que foi
exposto pelos resultados do índice de fluidez (Tabela 4).
57
O aumento na viscosidade desses nanocompósitos está associado às
restrições da mobilidade da cadeia característico do efeito reforçante da carga, da
elevada razão de aspecto (maior superfície de contato) e da interação entre as
superfícies do polímero e argila (CHOW et al.; 2007; GONZÁLEZ et al.; 2008).
Figura 16 – Gráfico das curvas da viscosidade complexa (*) em função da
varredura de frequência com 1% de deformação da PA6 e seus nanocompósitos
com diferentes teores de argila modificada.
4.1.3 Dispersão da argila organofílica nos nanocompósitos de PA6
A Figura 17 apresenta as curvas de difração de raios X (DRX) referentes à
argila modificada claytone 40 e aos nanocompósitos de PA6 com diferentes teores
de argila variando entre 2,5 e 10 phr.
A argila Claytone 40 apresentou dois picos de difração: o primeiro em ângulo
de difração na região de 7,16º, correspondente à montmorilonita original e
espaçamento basal de 1,23 nm; o segundo pico em ângulo de difração na região de
2,95º, relativo à montmorilonita intercalada com o agente surfactante e espaçamento
basal de 2,99 nm. Esse resultado é semelhante ao da literatura (López et al., 2005).
58
Em relação às misturas, pode-se observar que as curvas de DRX
demonstram perda gradual do pico característico da monmorilonita com a redução
do teor de argila. Para a amostra com 2,5 phr de claytone 40, não foi possível
observar o pico característico da montmorilonita.
Figura 17 – Difração de Raios X (DRX) da argila modificada claytone 40 e dos
nanocompósitos de poliamida com teores crescentes de argila modificada.
Esse resultado pode ser atribuído tanto à desarticulação do empilhamento
das camadas da argila (possível esfoliação), quanto ao grau de diluição da argila,
principalmente para o teor de 2,5 phr de argila (Yu et al., 2007; González et al.,
2008).
Quanto aos valores de espaçamento basal dos nanocompósitos com teores
de 5, 7,5 e 10 phr, pode ser observado aumento nas distâncias interlamelares em
relação à argila modificada, o que indica a ocorrência de intercalação das lamelas
pelas cadeias de PA6. A Tabela 6 mostra os valores do espaçamento basal dos
nanocompósitos de PA6.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
4,83°
2,95°
2,28°
2,29°
2,25°
7,16°
2,5 phr
5,0 phr7,5 phr10 phr
Claytone 40
0 phr
Inte
nsid
ade
(u.a
)
2 (°)
59
Tabela 6 - Valores das curvas de difração de raios X (picos característicos e
espaçamento basal) dos nanocompósitos de PA6.
Clay 40 (%) 2 d(001) nm
5 2,25 3,937,5 2,29 3,8610 2,28 3,87
Para confirmar a esfoliação da argila na matriz de PA6, é necessária a
observação da morfolgia dos compósitos por MET e SAXS.
4.1.4 Propriedades Térmicas
Com o intuito de verificar a influência da adição da argila modificada nas
propriedades térmicas da matriz de PA6, foram determinados o grau de
cristalinidade (Xc), a temperatura de cristalização (Tc) e a temperatura de fusão (Tm)
por calorimetria diferencial de varredura (DSC), cujos resultados são apresentados
na Figura 18.
Quanto à temperatura de fusão (Tm), pode ser observado um padrão bimodal
do pico endotérmico em relação ao observado para a PA6 pura, sendo que esse
padrão é visto com mais intensidade para as composições com teores crescentes de
argila. A presença do pico endotérmico denominado Tm1 está relacionada à forma
cristalina daPA6. O surgimento de um segundo pico endotérmico (Tm2) a
temperaturas ligeiramente inferiores à Tm1 está relacionado à fusão cristalina (Tm2)
da forma cristalina da PA6. As formas cristalinas e da poliamida 6 estão
ilustradas no Anexo.
Os valores da Tabela 7 para a temperatura de fusão (Tm1 e Tm2) sugerem que
a forma cristalina e coexistem no nanocompósito formado. Esse padrão pode
estar associado ao menor grau de empacotamento dos domínios cristalinos da
forma . Todavia, a diminuição dos valores de Tm dos nanocompósitos pode
simplesmente refletir alterações na dimensão lamelar e na distribuição dos cristalitos
de PA (CHIU et al.; 2005).
60
Figura 18 – Gráfico das curvas da 2° corrida de temperatura de fusão (Tm) de
calorimetria diferencial de varredura (DSC) da PA6 e seus nanocompósitos com
diferentes teores de argila organofílica.
Tabela 7 – Propriedades térmicas da PA6 e seus nanocompósitos de PA6 com
diferentes teores de argila organofílica.
Diversos autores têm relatado o aparecimento de mais um pico endotérmico
denominado Tm3 (Tabela 7). Ele surge a partir de 5 phr de argila empregada em
relação ao observado para a PA6. Esse padrão pode estar associado à forma
menos estável o qual é transformado para forma mais estável causando o
aparecimento do pico endotérmico principal (Tm2) através do processo de
150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250
Exo
7,5 phr
2,5 phr
0 phr
5,0 phr
10 phrTm3
Tm2Tm1
Flux
o de
cal
or (m
W/m
g)
Temperatura (°C)
Clay 40 (phr) Tm1 (°C) Tm2 (°C) Tm3 (°C) Tc (°C) ΔHm (J/g) Xc (%)
0 220,8 ± 0,2 213,7 ± 0,4 - 187,1 ± 0,2 56,54 29,6
2,5 218,1 ± 3,7 213,3 ± 2,6 - 185,9 ± 0,7 51,80 27,9
5,0 219,7 ± 1,2 214,5 ± 1,4 208,6 ± 1,0 185,5 ± 0,4 50,02 27,5
7,5 219,3 ± 0,3 213,8 ± 0,2 209,2 ± 0,1 186,1 ± 0,8 48,44 27,2
10 219,5 ± 0,3 214,2 ± 0,4 209,2 ± 0,1 186,0 ± 0,6 45,15 26,3
61
“recristalização-fusão”. Desse modo, pode-se observar que a adição de argila
modificada afeta a estrutura e organização dos cristais de PA6 (CHIU et al.; 2005).
Quanto à temperatura de cristalização da PA6, fase semicristalina do
nanocompósito, pode-se observar, de modo geral, que a adição da argila contribuiu
de forma mínima para redução nos valores de Tc em relação à matriz pura de
poliamida. Os valores apresentados foram praticamente idênticos entre si. Essa
aproximação nos resultados na temperatura de cristalização pode ser atribuída à
interação das argilas com a fase da poliamida de forma a restringir a mobilidade das
cadeias poliméricas (YU et al.; 2007).
Quanto ao grau de cristalinidade (Xc), pode-se observar na Tabela 7 que a
adição da argila contribui para leve redução da cristalinidade como conseqüência da
presença da carga, do processo de intercalação e/ou esfoliação e das possíveis
interações químicas entre a PA6 e a argila claytone 40.
4.1.5 Estrutura Cristalina
Os resultados fornecidos pela calorimetria diferencial de varredura sugeriram
a formação de cristais nos nanocompósitos de PA6 e PA6 pura, a qual foi
investigada com o auxílio da técnica de DRX, cujos difratogramas são mostrados na
Figura 19.
Os difratogramas ilustram uma linha pontilhada de cor verde atravessando
cada amostra em cada ponto de maior intensidade caracterizando aos picos da
forma da estrutura Esses picos estão geralmente em torno de 21 a 22,5°
correspondendo aos planos de difração (200).
De acordo com a literatura (FORNES et al., 2004; TUNG et al., 2005;
ZAMMARANO et al., 2006; HE et al., 2008), a PA 6 exibe duas formas cristalinas
monoclínicas dominantes de cristal denominadas e . A formação destas duas
formas depende principalmente das condições de cristalização ou adição de cargas
específicas. A forma da estrutura é reconhecida como a mais estável
termodinamicamente. A característica dos picos por DRX da forma da PA 6
realizada a temperatura ambiente estão localizados em torno de 2θ igual a 21 e 24°
62
e indicado como plano de difração (200) e (002)/(202) respectivamente. Por outro
lado, a forma da estrutura mostra picos geralmente em torno de 11, 22 e 23°
correspondendo aos planos de difração (020), (001) e (200)/(201) respectivamente.
Figura 19 – Difratogramas da estrutura cristalina da PA6 e suas composições.
De acordo com os resultados, pode-se observar que a PA6 apresenta um
complexo das duas estruturas com maior proporção da forma do que a forma da
estrutura 1 e 2. Isso pode estar associado às condições de processamento do
material na câmara de mistura e moldagem por injeção, seguido de rápido
resfriamento do molde.
Em relação aos nanocompósitos pode-se observar o mesmo comportamento
exibido pela PA6, uma vez que a adição de argila na matriz de PA6 contribuiu para o
aparecimento da forma do cristal (CHIU et al.; 2005).
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
10 phr
7,5 phr5,0 phr
2,5 phr0 phr
Inte
nsid
ade
(u.a
.)
2 (°)
63
4.1.6 Estabilidade Térmica
As Figuras 20 (a) e (b) apresentam as curvas de decomposição térmica (TG)
e sua derivada (DTG), respectivamente, da poliamida 6 e seus nanocompósitos com
diferentes teores de argila.
(a)
(b)
Figura 20 – (a) Curvas da decomposição térmica (TGA) e (b) curvas da 1° derivada
da decomposição térmica (DTG) da poliamida 6 e seus nanocompósitos com
diferentes teores de argila organofílica.
64
Observou-se que para a PA6 e todas as composições, duas regiões de perda
de massa relevantes: a primeira região refere-se à perda de água adsorvida
(umidade residual) que é liberada por volatilização com 1,5% de perda de massa
aproximadamente; e a segunda região refere-se à própria degradação da poliamida
e os surfatantes de alquilamônio (C16/C18) intercalados entre as galerias da argila
claytone 40 com 4% da perda de massa aproximadamente ocorrendo entre 287 e
347°C. Esse comportamento pode ser visto na Figura 21.
Figura 21 – Principais regiões de perda de massa das curvas de estabilidade térmica
da poliamida 6 e seus nanocompósitos com diferentes teores de argila.
A Tabela 8 mostra os valores referentes à região de temperatura inicial de
decomposição térmica (T4%) e a temperatura de degradação máxima (Tmax) da PA6 e
seus nanocompósitos. É interessante notar que as temperaturas iniciais dos
nanocompósitos (T4%) são maiores quando comparados com a poliamida pura. Por
outro lado, pode–se observar que a maior temperatura de degradação térmica de
todas as amostras foi para o nanocompósito com 2,5 phr de carga. A presença de
altos teores de carga na matriz reduz a temperatura de decomposição térmica
devido à ação catalítica do argilomineral (alumino-silicato).
O reconhecimento da ação catalítica do alumino-silicato e da influência
morfológica na liberação do produto de degradação implica que os detalhes
específicos da reação e da temperatura inicial de degradação dependerão da origem
do alumino-silicato, do ânion do sal de amônio, do histórico da MMT e do grau de
dispersão no polímero, e não simplesmente do tamanho de cadeia do intercalante
(XIE et al.; 2002).
65
Tabela 8 – Valores do T4% e Tmax da PA6 e seus nanocompósitos.
Clay40 (phr) T 4% (°C) T max (°C)
0 287,3 465,1
2,5 374,1 464,2
5,0 370,5 461,4
7,5 359,4 457,7
10,0 347,3 459,0
Apesar desse comportamento, a adição de argila proporcionou um ganho
significativo na resistência térmica dos nanocompósitos, como já observado na
literatura (GONZÁLEZ et al.; 2008).
4.1.7 Propriedades Mecânicas
4.1.7.1 Resistência ao Impacto IZOD
Na Figura 22 são mostrados os resultados dos ensaios de resistência ao
impacto da PA6 e seus nanocompósitos com teores crescentes de argila modificada.
Os valores representam a média dos resultados obtidos com seus respectivos
desvios padrão, conforme o número de corpos de prova previstos na norma
utilizada. Quanto à resistência ao impacto, pôde-se observar na que os
nanocompósitos apresentaram valores inferiores quando comparados à poliamida 6,
considerando-se os desvios padrão.
Comportamento semelhante foi relatado por Yu e colaboradores (2007), que
investigaram por microscopia eletrônica de transmissão a superfície de corpos de
prova de impacto. Eles verificaram que a presença da argila organofílica na PA6 não
contribuiu para qualquer mecanismo de deformação efetiva para alterar o
desempenho mecânico do material produzido, mas serviu apenas para agravar a
fratura frágil (YU et al.; 2007).
66
Figura 22 – Resultados de resistência ao impacto da PA6 e seus nanocompósitos
mostrados graficamente.
4.1.7.2 Resistência à tração
A Tabela 9 apresenta os resultados dos ensaios de resistência à tração
(tensão no escoamento, tensão na ruptura, deformação no escoamento, deformação
na ruptura e módulo elástico) da PA6 e seus nanocompósitos com teores crescentes
de argila modificada. Os valores representam a média dos resultados obtidos com
seus respectivos desvios padrão conforme o número de corpos de prova previstos
na norma utilizada.
A adição de teores superiores a 2,5 phr de argila à PA6 resultou em grande
redução da deformação e da tensão na ruptura, indicando perda de tenacidade. É
interessante notar que o nanocompósito com 2,5 phr de claytone 40 apresenta
valores bem próximos aos da PA6 pura, sugerindo que tal quantidade de argila é
muito pequena para influenciar o comportamento da PA6. Com relação ao
escoamento, há pequenas modificações nos valores de tensão, enquanto que a
deformação é mantida, principalmente até o teor de 5,0 phr de argila.
0102030405060708090
100
0 2,5 5,0 7,5 10
Teor de argila (phr)
Res
istê
ncia
ao
impa
cto
(J/m
)
67
Tabela 9 - Propriedades mecânicas da PA6 e dos seus nanocompósitos de PA6 com
diferentes teores de argila organofílica.
(MPa) ε (%) (MPa) ε (%) E (GPa) *
0 57,1 ± 1,3 2,5 ± 1,0 73,2 ± 4,4 285,0 ± 22,8 4,7 ± 0,8
2,5 63,9 ± 1,3 2,7 ± 0,6 70,7 ± 1,7 300,4 ± 10,8 4,8 ± 0,6
5 69,0 ± 0,9 2,2 ± 0,6 59,1 ± 1,3 12,3 ± 2,6 6,4 ± 0,2
7,5 56,2 ± 0,9 3,2 ± 0,7 52,3 ± 2,7 7,1 ± 3,5 4,2 ± 1,1
10 47,9 ± 2,9 5,1 ± 1,5 43,2 ± 4,0 11,8 ± 3,9 4,3 ± 0,2E (GPa) * módulo a 1%
Clay 40 (phr)Escoamento Ruptura
Isso pode indicar um aumento da rigidez do nanocompósito em função da
intercalação/esfoliação das lamelas, conforme assinalado pelas análises de difração
de raios X e reometria. Cabe ressaltar que o grau de cristalinidade é praticamente
idêntico para os nanocompósitos, conforme revelado pelas análises de DSC.
Analisando o módulo secante a 1% de deformação, nota-se um aumento
razoável apenas do nanocompósito com 5,0 phr de claytone 40. Os demais
nanocompósitos apresentaram valores bem semelhantes ao da PA6, considerando-
se os valores de desvio padrão.
Alguns trabalhos na literatura encontraram resultados muito semelhantes aqui
relatados e atribuíram ao aumento da rigidez e da tensão no escoamento à interação
entre a matriz de PA6 e as lamelas de silicato pela formação de ligações de
hidrogênio. Outra razão seria a imobilização parcial da fase polimérica confinada
entre as lamelas. (AALAIE et al.; 2007). A menor eficiência de reforço observada
para teores maiores de argila pode ser atribuída a menor razão de aspecto das
partículas de argila e também à interação partícula-partícula da argila, favorecendo o
seu re-empilhamento ao invés da dispersão, como relatado na referência anterior.
68
4.2 Avaliação do efeito do teor de elastômero do tipo EPDM e EPDM-MA nascaracterísticas do nanocompósito com poliamida 6 e argila organofílica
Dentre os resultados apresentados no item 5.1, verificou-se que os
nanocompósitos de poliamida e argila organofílica claytone 40 com teores de 5,0 phr
de nanocarga apresentou modificação em algumas propriedades tais como
mecânicas, térmicas e reométricas, inclusive na caracterização por difração de raio-x
quando comparados à matriz de PA6 pura e os demais nanocompósitos com teores
de 7,5 e 10 phr.
No entanto, algumas propriedades tais como deformação e resistência ao
impacto apresentaram perdas significativas para as demais composições contendo
7,5 e 10 phr.
Desse modo, a próxima parte do trabalho discute os efeitos da adição de
elastômeros do tipo EPDM e EPDM-MA como modificador de impacto em sistemas
de PA6/claytone 40. A quantidade de argila organofílica empregada para esse
estudo foi fixada em 5 phr, enquanto que o teor de elastômeros variou de 5 a 20 phr.
4.2.1 Processabilidade
Na Tabela 10, encontram-se os resultados do torque final, da energia
específica (SE) e do índice de fluidez (IF) dos nanocompósitos de PA6 contendo 5
phr de argila e dos nanocompósitos de PA6/claytone 40 contendo teores crescentes
de EPDM e EPDM-MA, respectivamente.
Em relação aos valores do torque final com elastômero do tipo EPDM,
observou-se um discreto aumento de acordo com o teor quando comparados ao
nanocompósito PA6/claytone40 (100/5), considerando os desvios padrão. Com a
presença de EPDM-MA no sistema PA6/claytone40 (100/5), o torque aumenta de
forma significativa com o aumento do teor em relação ao nanocompósito
PA6/claytone40 (100/5), considerando os desvios padrão. O aumento no torque está
associado ao aumento na viscosidade do sistema em decorrência da adição de
elastômero.
69
Tabela 10 – Resultados dos valores médios do torque final, energia específica (SE)
e do índice de fluidez (IF) dos nanocompósitos de PA6/argila organofílica claytone
40/elastômero (100/5/variável).
Torque (Nm) Energia (J/g) IF (g/10min)
0 2,2 ± 0,1 290,7 ± 28,2 3,1 ± 0,3
5 2,2 ± 0,2 336,7 ± 36,2 *
10 2,3 ± 0,1 295,5 ± 27,2 *
15 2,4 ± 0,2 297,2 ± 41,3 *
20 2,5 ± 0,1 255,6 ± 24,5 *
5 3,1 ± 0,1 306,5 ± 21,6 *
10 4,1 ± 0,3 339,5 ± 41,9 *
15 4,9 ± 0,1 336,6 ± 17,3 *
20 5,5 ± 0,3 324,2 ± 31,7 *
* Não fluiu nas condições estudadas segundo a norma aplicada.
Elastômero (phr)
EPDM - MA
EPDM
Também foi observado, comparando os resultados da Tabela 10 quanto ao
tipo de elastômero adicionado que, os valores do torque final para todos os teores
do sistema PA6/claytone 40/EPDM-MA são maiores em relação aos valores do
torque final do sistema com EPDM. O elevado aumento no torque (aumento na
viscosidade) pode ser justificado pela presença de grupos anidrido maleico
presentes no EPDM-MA que favoreceram a formação de um copolímero in situ na
interface com os grupos amínicos da PA 6, resultado da reação que pode ter
ocorrido durante o processamento em câmara de mistura. A formação do copolímero
in situ PA6-g-EPDM-MA está representado na Figura 23 (CHOW et al.; 2005). Outra
possível interação físico-química na interface é entre os grupos anidrido do EPDM-
MA e grupos amínicos, intercalantes da argila organofílica claytone 40 e o grupo
alquila, o dimetildioctadecila, presentes nas superfícies das lamelas e que pode ser
visto na Figura 24 (KUSMONO et al.; 2008).
Já, para o sistema PA6/claytone40 contendo EPDM, à ausência de polaridade
dificultou a interação das cadeias poliméricas desse elastômero com os grupos
amínicos da poliamida e os grupos polares (superfície Si-O-H e Si-O) presentes nas
lamelas da argila. É provável que a interação física ocorra entre as cadeias do
EPDM com a cadeia alquílica do surfactante.
70
Figura 23 – Esquema ilustrativo da possível formação do copolímero in situ entre os
grupos amínicos da PA6 e os grupos anidridos maleico do EPDM-MA (CHOW et al.;
2005).
Figura 24 – Esquema ilustrativo da possível interação entre os grupos anidridos e os
grupos intercalantes presentes nas lamelas da argila (KUSMONO et al.; 2008).
C
H2C
C
=O
O NH2+ PA 6EPDM
H
OH
N
H
PA6–g–EPDM-MA
C
=
O
C
H2C
C
=O
O
H
C
EPDM
=PA 6
PA 6
C
H2C
C
=N
H
C=
O
O
EPDM
- H2O
C
H2C
C
=O
O NH2+ PA 6EPDM
H
OH
N
H
PA6–g–EPDM-MA
C
=
O
C
H2C
C
=O
O
H
C
EPDM
=PA 6
PA 6
C
H2C
C
=N
H
C=
O
O
EPDM
- H2O
C
H2C
C
=O
O +
EPDMH
OH
H
C
=
O
C
H2C
C
=O
O
H
C
EPDM
=
C
H2C
C
=
N
H
C
=
O
O
EPDM
- H2O
N CH2(CH2)16CH3
CH2(CH2)16CH3
N
H
H CH2(CH2)16CH3
CH2(CH2)16CH3
+
+
CH2(CH2)16CH3
CH2(CH2)16CH3
+
C
H2C
C
=O
O +
EPDMH
OH
H
C
=
O
C
H2C
C
=O
O
H
C
EPDM
=
C
H2C
C
=
N
H
C
=
O
O
EPDM
- H2O
N CH2(CH2)16CH3
CH2(CH2)16CH3
N
H
H CH2(CH2)16CH3
CH2(CH2)16CH3
+
+
CH2(CH2)16CH3
CH2(CH2)16CH3
+
71
A Figura 25 ilustra a possível interação entre os grupos amínicos da PA6 e os
grupos de baixa polaridade, o dimetildioctadecil, presentes nas lamelas da argila
(KUSMONO et al.; 2008).
Figura 25 – Esquema ilustrativo da possível interação entre os grupos amínicos e os
grupos intercalantes presentes nas lamelas da argila (KUSMONO et al.; 2008).
Todas essas possíveis interações discutidas anteriormente e apresentadas
nas Figuras 23, 24 e 25 contribuem para restringir a mobilidade das cadeias.
Em relação aos valores da energia específica da Tabela 10, observou-se o
mesmo comportamento visto para o torque. Observou-se que os valores da energia
para o sistema PA6/claytone 40/EPDM-MA são maiores em relação aos valores da
energia do sistema com EPDM, considerando os desvios padrões. Como já era
esperado, o aumento da energia assim como o do torque está associado a um
aumento na viscosidade do sistema. Conforme descrito há pouco, o aumento da
viscosidade pode ser creditado à formação do copolímero in situ PA6-g-EPDM-MA e
às outras interações já comentadas nesse tópico.
É interessante notar que os valores de energia específica para os
nanocompósitos de PA6/claytone 40 com 5 phr de EPDM foram maiores do que os
mesmos nanocompósitos produzidos com 5 phr de EPDM-MA. Isso pode está
associado ao tipo de EPDM utilizado com diferenças na sua massa molar, razão
etileno/propileno e viscosidade. E para as composições com 5 phr de EPDM-MA
pode ser atribuído pela baixa concentração de anidrido maleico.
Não foi possível determinar os valores de índice de fluidez (IF) dos
nanocompósitos contendo EPDM a EPDM-MA, pois não fluíram nas condições
aplicadas segundo a norma. Entretanto, percebe-se um aumento na viscosidade
N
H
H CH2(CH2)16CH3
CH2(CH2)16CH3
+NH2PA 6
H
N CH2(CH2)16CH3
CH2(CH2)16CH3
+
+
H׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀
H
N HPA 6
N
H
H CH2(CH2)16CH3
CH2(CH2)16CH3
+NH2PA 6
H
N CH2(CH2)16CH3
CH2(CH2)16CH3
+
+
H׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀׀
H
N HPA 6
72
para os sistemas, principalmente nos sistemas contendo EPDM-MA, que está
intimamente ligado a todas as possíveis interações, resultado das reações vistas nas
Figuras 23, 24 e 25 que concordam com os valores do torque final e energia,
restringindo a mobilidade das cadeias.
Para ilustrar o processamento dos nanocompósitos preparados no misturador,
o gráfico das Figuras 26 e 27 mostram o comportamento das curvas de torque em
função do tempo. Pode ser observado que após a fusão da poliamida 6 aditivada
com irganox 245 nos primeiros minutos, a massa fundida tornou-se homogênea.
Como foi discutido no capítulo anterior, o carregamento da poliamida resultou em
elevado torque que está associado à incompleta fusão do material. A partir do
terceiro minuto, adicionou-se a argila claytone 40, mantendo por dois minutos no
misturador. Em seguida, inseriu-se o elastômero acompanhado dos antioxidantes
irganox 1010 e irgafos 126. A corrida foi finalizada após mais três minutos,
totalizando 8 minutos de mistura. O início do carregamento do EPDM ou EPDM-MA
promoveu aumento do torque. Esse aumento está diretamente associado ao
aumento da viscosidade conforme já discutido para os valores de torque.
Figura 26 – Gráfico das curvas de torque em função do tempo dos nanocompósitos
de PA6/argila (100/5) com diferentes teores de EPDM.
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8t (min)
Torq
ue (N
m)
0 phr
5 phr
10 phr
15 phr
20 phr
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
6 7 8t (min)
Torq
ue (N
m)
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8t (min)
Torq
ue (N
m)
0 phr
5 phr
10 phr
15 phr
20 phr
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
6 7 8t (min)
Torq
ue (N
m)
73
Figura 27 – Gráfico das curvas de torque em função do tempo dos nanocompósitos
de PA6/argila (100/5) com diferentes teores de EPDM-MA.
Apesar do aumento da viscosidade dos nanocompósitos não houve
dificuldades quanto ao processamento seguinte, que foi a moldagem por injeção.
4.2.2 Propriedades reológicas
Para entender melhor o efeito da adição crescente de elastômeros na
modificação estrutural do nanocompósito PA6/argila organofílica, foi realizado uma
varredura de deformação para determinação da faixa de viscoelasticidade linear.
As Figuras 28 e 29 mostram os gráficos das curvas do módulo de
armazenamento (G’) em função da varredura de deformação (para os
nanocompósitos com e sem adição de EPDM e EPDM-MA, respectivamente. É
interessante notar que há aumento do módulo elástico (G’) com o aumento do teor
de elastômero. Além disso, a curva de EPDM-MA resulta em valores altos do que a
adição de EPDM.
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8t (min)
Torq
ue (N
m)
0 phr
5 phr
10 phr
15 phr
20 phr2
3
4
5
6
7
6 7 8t (min)
Torq
ue (N
m)
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8t (min)
Torq
ue (N
m)
0 phr
5 phr
10 phr
15 phr
20 phr2
3
4
5
6
7
6 7 8t (min)
Torq
ue (N
m)
74
Figura 28 – Gráfico das curvas do módulo de armazenamento (G’) em função da
varredura de deformação (dos nanocompósitos com e sem adição de EPDM.
Figura 29 – Gráfico das curvas do módulo de armazenamento (G’) em função da
varredura de deformação (para os nanocompósitos com e sem adição de EPDM-
MA.
Quanto ao comportamento viscoelástico das curvas dos gráficos das Figuras
28 e 29, foram observados que a adição de EPDM e EPDM-MA nos nanocompósitos
de PA6/claytone 40 (100/5) não afetou a faixa da região de viscoelasticidade linear.
10
100
1000
10000
0,01 0,1 1 10 100 1000log (%)
log
G' (
Pa)
0 phr5 phr10 phr15 phr20 phr
10
100
1000
10000
0,01 0,1 1 10 100 1000
log (%)
log
G' (
Pa)
0 phr
5 phr
10 phr
15 phr
20 phr
75
As Figuras 30 e 31 mostram as curvas do módulo de armazenamento (G’) em
função da varredura de freqüência angular () para os nanocompósitos com e sem
adição de EPDM e EPDM-MA, respectivamente.
Há aumento nos valores do módulo de armazenamento (G’) ao longo da faixa
de frequência analisada de acordo com o aumento no teor de EPDM e EPDM-MA
em relação ao sistema PA6/claytone 40 (100/5). É interessante notar que o aumento
no módulo de armazenamento (G’) na região de baixa freqüência angular foi mais
pronunciado para os nanocompósitos de PA6/claytone40 contendo 10, 15 e 20 phr
de EPDM-MA com comportamento do tipo pseudo-sólido e tendência à formação de
um platô, sugerindo restrição de mobilidade das cadeias.
Figura 30 – Gráfico das curvas do módulo de armazenamento (G’) em função da
varredura de frequência angular (para os nanocompósitos com e sem adição de
EPDM.
Esse comportamento pode ser atribuído a diversos fatores conforme
apresentado no item da processabilidade: pela formação de um copolímero in situ na
interface (PA6-g-EPDM-MA); pelas interações entre as superfícies das lamelas da
argila e os grupos amínicos da PA6; e a elevada razão de aspecto da carga
participante no nanocompósito.
10
100
1000
10000
100000
0,01 0,1 1 10 100 1000
log rad/s)
log
G' (
Pa)
0 phr
5 phr
10 phr
15 phr
20 phr
76
Figura 31 – Gráfico das curvas do módulo de armazenamento (G’) em função da
varredura de frequência angular (para os nanocompósitos com e sem adição de
EPDM-MA.
O somatório desses fatores sugere que esses nanocompósitos tenham
adquirido uma estrutura do tipo intercalada e/ou esfoliada devido à dispersão da
carga na matriz de PA6 em decorrência das possíveis interações físico-químicas e
da crescente adição de anidrido maleico. A presença dos grupos MA no EPDM
contribui para aumento da adesão interfacial e redução do tamanho dos domínios
elastoméricos. Essa morfologia pode favorecer também a desarticulação das
lamelas da argila. Técnicas de MEV e MET são necessárias para confirmar e
elucidar tal comportamento.
Observou-se também o comportamento dos valores do módulo de
armazenamento (G’) das curvas da Figura 30 na região de baixa frequência angular.
Notou-se que a ausência de interações físico-químicas entre as cadeias poliméricas
do EPDM, a PA6, EPDM e as lamelas da argila em decorrência da falta de um
grupamento polar apresentou estrutura com comportamento patamar, característico
de comportamento newtoniano e uma provável morfologia pobre em adesão
interfacial e com domínios de tamanhos grandes e irregulares.
A partir da obtenção da equação da reta na região de baixa frequência
angular das curvas das Figuras 30 e 31, foram calculados os valores dos
coeficientes angulares. Esses valores da inclinação da reta conduzem a uma melhor
10
100
1000
10000
100000
0,01 0,1 1 10 100 1000log rad/s)
log
G' (
Pa)
0 phr
5 phr
10 phr
15 phr
20 phr
77
compreensão do comportamento das composições estudadas com e sem
elastômero, associando ao tipo de estrutura possível de ser encontrado como
intercalada e/ou esfoliada. Os valores dos coeficientes angulares estão reunidos na
Tabela 11. Quanto menor for o valor da inclinação, maior é o indicativo na formação
de estruturas esfoliadas com comportamento do tipo pseudo-sólido e presença de
patamar (SHEN et al.,2005; CHOW et al., 2007).
Tabela 11 - Valores dos coeficientes angulares das curvas de log G’ em função do
log em baixas frequências angulares para os nanocompósitos de PA6/claytone40
com e sem elastômero.
Notaram-se menores valores de inclinação para as composições contendo
EPDM-MA quando maiores teores eram adicionados, comparando ao sistema
PA6/argila. Isso pode ser atribuído como resultado das interações possíveis entre os
componentes envolvidos e já discutido, que sugerem a formação de uma estrutura
do tipo intercalada e/ou esfoliada.
A formação do platô na região de baixa frequência angular não foi tão
perceptível para os nanocompósitos tenacificados com EPDM, o que de certa forma
prejudica a análise dos valores de inclinação da reta e sua correlação com o tipo de
morfologia.
Quanto à viscosidade, os gráficos das Figuras 32 e 33, ilustram o
comportamento das curvas de viscosidade complexa (*) em função da varredura de
frequência angular ().
Observou-se na região de baixa frequência angular, aumento na viscosidade
dos nanocompósitos de PA6/claytone40 com o aumento no teor de EPDM e EPDM-
MA, respectivamente, quando comparados aos nanocompósitos de PA6/claytone40
sem elastômero.
EPDM (phr) Coeficiente angular EPDM-MA (phr) Coeficiente angular
0 0,86 0 0,86
5 1,00 5 0,80
10 0,90 10 0,64
15 0,92 15 0,48
20 0,76 20 0,28
78
Figura 32 – Gráfico das curvas da viscosidade complexa (*) em função da
varredura de frequência angular (para os nanocompósitos com e sem adição de
EPDM.
Figura 33 – Gráfico das curvas da viscosidade complexa (*) em função da
varredura de frequência angular (para os nanocompósitos com e sem adição de
EPDM-MA.
100
1000
10000
100000
0,01 0,1 1 10 100 1000log (rad/s)
log
* (Pa
s)
0 phr 5 phr 10 phr 15 phr 20 phr
100
10000
0,01 0,1 1 10 100 1000
log (rad/s)
log
* (Pa
s)
0 phr 5 phr 10 phr 15 phr 20 phr
79
Desse modo, esses resultados estão de acordo com o item 5.2.2, onde o
aumento da viscosidade foi verificado com o aumento dos valores de torque e
energia.
Não obstante, algumas amostras com teores de 20 phr contendo EPDM e 10,
15 e 20 phr contendo EPDM-MA apresentaram comportamento característico aos
fluidos que seguem o modelo da lei das potências de acordo com a equação
*=An. O expoente n indica o comportamento da pseudoplasticidade e pode ser um
indicativo do grau de esfoliação e/ ou intercalação das lamelas dos silicatos do
nanocompósito. Quanto menor for o valor do expoente n, isto é, quanto mais se
aproximar o valor de -1 negativo, maior será a dispersão das argilas na matriz,
resultando em uma estrutura do tipo esfoliada (SHEN et al.;2005).
Apesar do comportamento destoante de algumas curvas dos nanocompósitos
vistos nos gráficos das Figuras 32 e 33, foi feito ajuste linear para todas as
composições na região de baixa frequência angular da curvas da viscosidade
complexa (*) para verificar a dispersão das lamelas da argila claytone 40 na matriz
de PA6 e a influência de EPDM e EPDM-MA, respectivamente. Os valores dos
expoentes n estão reunidos na Tabela 12.
Tabela 12 – Valores dos expoentes n calculados por ajuste linear seguindo o modelo
da lei das potências das curvas de viscosidade complexa (*) em baixas taxas de
frequência angular.
Verificaram-se menores valores dos expoentes de inclinação para as
composições contendo EPDM-MA comparado ao sistema PA6/claytone40(100/5).
Mais uma vez, esse comportamento pode ser atribuído como resultado das
interações físico-químicas possíveis entre os componentes envolvidos para a
formação do nanocompósito e já discutido nesse tópico e no item anterior, que
EPDM (phr) n EPDM-MA (phr) n
0 -0,02 0 -0,02
5 -0,03 5 -0,05
10 -0,04 10 -0,06
15 -0,04 15 -0,07
20 -0,06 20 -0,12
80
sugerem a formação de uma estrutura do tipo intercalada para os teores com 5 phr e
esfoliada com comportamento do tipo pseudo-sólido para os teores com 10, 15 e 20
phr, respectivamente.
Verificou-se também que, os valores dos expoentes dos nanocompósitos
PA6/claytone40 contendo EPDM diminuem também com o aumento do teor desse
elastômero. Porém, possuem valores de expoentes menores em relação aos valores
calculados para os nanocompósitos com EPDM-MA.
4.2.3 Difração de raios-X
Os difratogramas de raios X obtidos da superfície do pó prensado da argila
organofílica com sais quaternários de amônio claytone 40 e dos corpos de prova
injetados dos nanocompósitos PA6/claytone40 com e sem adição de EPDM e
EPDM-MA respectivamente são mostrados na Figura 34.
Observou-se no gráfico da Figura 34 que o difratograma do nanocompósito de
PA6 com teor de 5 phr de claytone 40 exibiu um pico de pequena intensidade, em
ângulo de difração na região de 2,28° e espaçamento basal de 3,93 nm. A análise
indicou que a dispersão da carga reforçante na PA6 foi eficaz, levando a
intercalação das lamelas dos silicatos, conforme observado pelo aumento no
espaçamento basal.
Já, os difratogramas dos sistemas de PA6/claytone40 com teores crescentes
de EPDM e EPDM-MA, apresentaram picos muito largos e de baixíssima
intensidade, principalmente na região compreendida entre a faixa de ângulos 1,5°<
2 < 4,5°. Isso pode ser um indicativo das desarticulações parciais das camadas da
argila originando estruturas intercaladas e esfoliadas simultaneamente.
A incorporação do EPDM-MA também contribuiu bastante para a
delaminação dos silicatos lamelares da argila devido à presença de grupos polares
do copolímero formado PA6-g-EPDM-MA e grupos polares presentes nas superfícies
das lamelas como Si-OH, Si-O e os grupos intercalantes (KUSMONO et al.; 2008).
Já, composições com a incorporação do EPDM, exibiram comportamentos parecidos
com os difratogramas dos nanocompósitos com EPDM-MA. Esse fato pode ter
81
ocorrido devido às interações das cadeias do EPDM com os sais quaternários de
amônio de baixa polaridade das lamelas da argila.
Figura 34 - Difração de raios X da argila organofílica claytone 40 (curva em laranja),
dos nanocompósitos de PA6/claytone40 (curva em azul) e dos nanocompósitos de
PA6/claytone40 com teores crescentes de EPDM (curvas acinzentadas) e EPDM-MA
(curvas em vermelho).
4.2.4 Propriedades térmicas
Quanto às propriedades térmicas analisadas por calorimetria diferencial de
varredura (DSC), os resultados das temperaturas de fusão (Tm), temperaturas de
cristalização (Tc) e grau de cristalinidade (Xc) dos nanocompósitos de
PA6/claytone40 com e sem adição crescente de EPDM e EPDM-MA,
respectivamente, estão reunidos na Tabela 13.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
20 phr
15 phr
10 phr
5 phrEPDM-MAEPDM
0 phrClaytone 40
Inte
nsid
ade
(u.a
.)
2 (°)
82
Tabela 13 – Resultados das propriedades térmicas dos nanocompósitos de
PA6/claytone40 e nanocompósitos de PA6/claytone40 com adição crescente de
EPDM e EPDM-MA, respectivamente, analisados por DSC.
Quanto aos valores da temperatura de fusão (Tm), a Tabela 13 mostra um
padrão com três picos endotérmicos para os nanocompósitos de PA6 sem e com
adição de até 15 phr de EPDM. Para as demais composições, foram observados
apenas um padrão bimodal do pico endotérmico. Os valores de (Tm) podem ser
vistos também nas curvas do gráfico da Figura 35.
Essas curvas exibiram o mesmo comportamento observado para as curvas
da Figura 18 para a PA6 e seus nanocompósitos com teores crescentes de argila.
Dois picos endotérmicos, (Tm2) e (Tm3) respectivamente, foram associados à fusão
cristalina da forma cristalina e o outro pico endotérmico (Tm1), foi associado à fusão
cristalina da forma cristalina . De acordo com a literatura, os cristais do arranjo
cristalino fundem em temperaturas ligeiramente menores (214-215°C) e os da
forma cristalina fundem em temperaturas maiores (223°C).
Os valores dos resultados da Tabela 13 para a temperatura de fusão (Tm1 e
Tm2) sugerem que a forma cristalina e coexistam no nanocompósito formado,
sendo a forma cristalina mais intensa. Esse padrão pode estar associado ao
menor grau de empacotamento dos domínios cristalinos da forma . Todavia, a
diminuição dos valores de (Tm) dos nanocompósitos pode simplesmente refletir em
alterações na dimensão lamelar e na distribuição dos cristalitos de PA.
Tm1 (°C) Tm2 (°C) Tm3 (°C) Tc (°C) ΔHm (J/g) Xc (%)
0 219,7 214,5 208,6 187,1 50,0 27,5
5 220,7 214,4 208,0 185,9 63,7 37,1
10 220,7 215,1 207,3 185,6 63,6 39,2
15 220,4 214,1 206,6 185,8 61,2 40,1
20 220,1 214,3 ־ 185,3 60,9 42,5
5 219,6 212,1 ־ 185,6 47,0 27,4
10 219,0 211,7 ־ 186,0 56,3 34,7
15 219,1 210,6 ־ 184,5 52,8 34,6
20 218,5 210,4 ־ 184,3 48,1 33,6
Elastômero (phr)
EPDM - MA
EPDM
83
Figura 35 – Gráfico das curvas da 2° corrida de temperatura de fusão (Tm) dos
nanocompósitos de PA6/claytone40 com teores crescentes de EPDM (curvas em
preto) e EPDM-MA (curvas em lilás) respectivamente.
Observou-se (Figura 35) que as curvas dos nanocompósitos de
PA6/claytone40 contendo diferentes teores de EPDM exibiram picos mais largos do
que os nanocompósitos de PA6/claytone40 contendo diferentes teores de EPDM-
MA. Isso pode ser atribuído ao EPDM não possuir um grupamento polar capaz de
interagir na interface com as cadeias da PA6 e a superfície da argila, uma vez que
ambas possuem grupamentos polares. Isso implica em uma morfologia heterogênea
com diversos tamanhos de domínios de EPDM, com consequente aumento de
regiões amorfas.
Os outros nanocompósitos contendo teores distintos de EPDM-MA exibiram o
padrão do pico bimodal endotérmico (Tm2) e (Tm1) mais definido e com menor
largura. Esse comportamento pode ser justificado pelas interações físico-químicas
possíveis entre os componentes envolvidos e já mencionados, discutidos em itens
5.2.1, 5.2.2 e 5.2.3 (processabilidade, reometria e difração de raios X). Se com a
presença da argila, a viscosidade sofreu aumento nos nanocompósitos de PA6,
150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250
20 phr
15 phr
10 phr
5 phr
EPDM-MAEPDM
Tm3
Tm2Tm1
Exo
Flux
o de
cal
or (m
W/m
g)
Temperatura (°C)
84
adição EPDM-MA aumentou mais ainda a viscosidade, restringindo a mobilidade
das cadeias com comportamento do tipo pseudo-sólido.
Quanto à temperatura de cristalização dos nanocompósitos da Tabela 13,
notou-se, de modo geral, que a adição da argila e do elastômero (independente do
tipo), contribuiu de forma mínima para redução nos valores de Tc em relação ao
nanocompósito de PA6 contendo 5 phr de carga reforçante.
Quanto ao grau de cristalinidade (Xc), os valores da Tabela 13 variam de
forma distinta de acordo com o tipo de elastômero empregado, o que não acontece
para as temperaturas de cristalização e fusão cristalina. A adição de claytone 40
reduz o grau de cristalinidade da fase PA6, conforme visto no item anterior para os
nanocompósitos de PA6 com teores crescentes de argila. Porém, os valores do Xc
aumentam quando o teor de EPDM aumenta em relação aos nanocompósitos de
PA6/claytone40.
Por outro lado, os valores de Xc aumentam sem sofrer alterações com teores
crescentes de EPDM-MA. Tal fato se deve possivelmente a intercalação das cadeias
da PA6 entre as lamelas da argila e a formação do copolímero in situ PA6-g-EPDM-
MA que contribuiu para as modificações na cristalinidade da fase PA6, visto que
alteram a mobilidade das cadeias.
4.2.5 Estrutura Cristalina
De acordo com a literatura e conforme mostrado no capítulo anterior para a
estrutura cristalina da PA6, os picos de reflexão característicos estão na faixa 10 <
2 < 40. Dentro dessa faixa, existe a forma da estrutura cristalina com dois picos
de reflexão em torno de 2θ igual a 21 e 24° e indicado como plano de difração (200)
e (002)/(202) respectivamente. Por outro lado, a forma da estrutura cristalina exibe
picos geralmente em torno de 11, 22 e 23° correspondendo aos planos de difração
(020), (001) e (200)/(201) respectivamente.Aparte amorfa tem um halo centrado em
torno de 2 igual a 21,4°. A Figura 36 mostra o difratograma da PA6 pura e seus
principais picos de reflexão referentes aos arranjos cristalinos , e do halo amorfo
(Fornes et al., 2004).
85
Figura 36 – Curva de difração de raios x da PA6 e a deconvolução dos picos de
reflexão dos arranjos cristalinos , e do halo amorfo (FORNES et al.; 2004).
Os valores dos resultados fornecidos pela calorimetria diferencial de varredura
da Tabela 13 e as curvas do gráfico da Figura 35 sugeriram a formação da forma
cristalina nos nanocompósitos de PA6 contendo diferentes teores de EPDM e
EPDM-MA, respectivamente, e que estão de acordo com os resultados obtidos para
os nanocompósitos de PA6 com teores crescentes de argila e a PA6 pura. O gráfico
da Figura 37 mostra as curvas investigadas com o auxílio da técnica da difração de
raios X na formação da forma cristalina
De acordo com os resultados, pode-se observar para todos os
nanocompósitos sem e com teores crescentes de EPDM e EPDM-MA
respectivamente, um complexo das duas estruturas com maior proporção da forma
exibindo picos em torno de 22,5 a 22,9° (planos de difração 001) do que a forma
da estrutura 1 e 2. Isto pode ser atribuído a diversos fatores tais como: adição da
argila na poliamida, EPDM no sistema PA6/claytone 40 que contribuiu de forma
esperada para o aparecimento da forma do cristal alterando as dimensões
cristalinas e espessura lamelar da reflexão (200); a adição de EPDM-MA indicando
redução substancial da mobilidade das cadeias em fase de cristalização devido à
amorfo
Inte
nsid
ade
(u.a
) amorfo
Inte
nsid
ade
(u.a
)
86
formação do polímero graftizado na interface, favorecendo o impedimento da
cristalização de ambos os domínios e às condições de processamento do material
em câmara de mistura e moldagem por injeção, seguido de rápido resfriamento do
molde.
Figura 37 - Difratogramas da estrutura cristalina dos nanocompósitos de
PA6/claytone40 com e sem adição de diferentes teores de EPDM (curvas em preto)
e EPDM-MA (curvas em rosa).
O grau de cristalinidade Xc também foi calculado por difração de raios X em
função das áreas correspondentes aos picos dos arranjos cristalinos (Ic) e da área
do halo amorfo (Ia) de acordo com a equação (3) (KOMALAN et al.;2008):
Xc = Ic / (Ic+Ia) eq. (3)
As curvas foram deconvoluídas com o auxílio do programa Fityk, utilizando
ajuste Gaussiano. Os resultados dos valores de Xc obtidos por DRX e DSC estão
reunidos na Tabela 14.
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
0 phr
20 phr
15 phr
10 phr
5 phr
EPDMEPDM-MA
Inte
nsid
ade
(u.a
)
2 (°)
87
Tabela 14 – Valores do Xc obtidos por DRX e DSC dos nanocompósitos de
PA6/claytone40 contendo teores crescentes de EPDM e EPDM-MA
respectivamente.
Os resultados referentes ao grau de cristalinidade (Xc) dos nanocompósitos
por difração de raios X apresentaram diferenças dos resultados obtidos por DSC
para algumas amostras. Essas discrepâncias podem ser atribuídas aos seguintes
fatores: dificuldade de separação do padrão amorfo e cristalino superpostos por
difração; espalhamento difuso dos defeitos cristalinos que não podem ser
distinguidos do halo amorfo e a subtração da linha base pode remover porções dos
espalhamentos amorfos e cristalinos (GOMEs et al.; 2007).
Contudo, os resultados de Xc calculados pelas duas técnicas, apresentaram
aproximação satisfatória e que estão dentro da mesma ordem de grandeza, sendo
possível utilizar para avaliação do grau de cristalinidade dos sistemas.
4.2.6 Estabilidade térmica
O gráfico das Figuras 38 (a) e (b) apresentam as curvas de decomposição
térmica (TG) e sua derivada (DTG) dos nanocompósitos de PA6/claytone40 sem e
com adição de teores crescentes de EPDM, respectivamente. E o gráfico das
Figuras 39 (a) e (b) apresentam as curvas de decomposição térmica (TG) e sua
Xc (%)* Xc (%)**
0 27,5 30,8
5 37,1 38,1
10 39,2 46,1
15 40,1 39,2
20 42,5 44,3
5 27,4 37,3
10 34,7 34,1
15 34,6 33,0
20 33,6 37,2* DSC** DRX
Elastômero (phr)
EPDM
EPDM - MA
88
derivada (DTG) dos nanocompósitos de PA6/claytone40 sem e com adição de
teores crescentes de EPDM.
(a)
(b)
Figura 38 – (a) curvas de decomposição térmica (TG) e (b) a derivada (DTG) dos
nanocompósitos de PA6/claytone40 sem e com adição de teores crescentes de
EPDM.
89
(a)
(b)
Figura 39 – (a) curvas de decomposição térmica (TG) e (b) a derivada (DTG) dos
nanocompósitos de PA6/claytone40 sem e com adição de teores crescentes de
EPDM-MA.
A análise termogravimétrica da argila modificada claytone 40 mostrou três
regiões de perda de massa que já foram discutidos no item 5.1.6.
Para os nanocompósitos de PA6/claytone40 com e sem adição crescente de
EPDM e EPDM-MA, respectivamente, observou-se duas regiões de perda de massa:
a primeira referente à perda de umidade que é liberada por volatilização com 1,5%
90
de perda de massa aproximadamente e a segunda em decorrência da própria
degradação da poliamida, do EPDM, EPDM-MA e os surfactantes de alquilamônio
(C16/C18) presentes na superfície e intercalado entre as galerias da argila claytone 40
com 4% perda de massa aproximadamente ocorrendo entre 322 e 370°C.
Comparando os valores das temperaturas iniciais (T4%) dos sistemas com
EPDM e EPDM-MA, respectivamente, pode ser observado na Tabela 15 que os
nanocompósitos contendo EPDM-MA apresentaram uma diminuição na temperatura
inicial de degradação comparados aos sistemas contendo EPDM e a
PA6/claytone40 com teores de 5 phr de carga.
Tabela 15 - Valores das temperaturas iniciais de degradação (T4%) e temperatura
máxima de conversão (Tmax) dos nanocompósitos de PA6 sem e com diferentes
teores de EPDM e EPDM-MA respectivamente.
Em relação às temperaturas máximas (Tmax) na Tabela 15, onde a velocidade
de decomposição é máxima, os nanocompósitos contendo teores crescentes de
EPDM e EPDM-MA não apresentaram diferenças significativas.
T 4% (°C) T max (°C)
0 370,5 461,4
5 366,0 460,5
10 376,5 462,8
15 375,7 464,5
20 368,4 462,9
5 322,6 462,4
10 344,2 460,3
15 333,1 458,3
20 330,5 457,2
Elastômero (phr)
EPDM - MA
EPDM
91
4.2.7 Propriedades mecânicas
4.2.7.1 Resistência ao impacto IZOD
Na Tabela 16 são mostrados os resultados dos ensaios de resistência ao
impacto da PA6/claytone40 sem e com teores crescentes de EPDM e EPDM-MA,
respectivamente. Os valores representam a média dos resultados obtidos com seus
respectivos desvios padrão conforme o número de corpos de prova previstos na
norma utilizada. Na Figura 40, os mesmos resultados são ilustrados graficamente.
Tabela 16 – Valores da resistência ao impacto da PA6/claytone40 e seus
nanocompósitos contendo teores crescentes de EPDM e EPDM-MA
respectivamente.
Quanto à resistência ao impacto, pôde-se observar de modo geral na Tabela
16 e na Figura 40 que os resultados dos nanocompósitos contendo EPDM e EPDM-
MA apresentaram valores superiores quando comparados ao nanocompósito de
PA6/claytone 40 (100/5), sendo que mais pronunciado para os nanocompósitos
contendo teores crescentes de EPDM-MA.
Resistência ao Impacto (J/m)
0 56,6 ± 8,9
5 81,6 ± 3,9
10 75,8 ± 5,7
15 62,1 ± 6,1
20 70,9 ± 3,5
5 80,5 ± 8,7
10 124,5 ± 8,5
15 125,7 ± 5,0
20 245,6 ± 4,4
Elastômero (phr)
EPDM - MA
EPDM
92
Figura 40 - Resultados de resistência ao impacto da PA6/claytone 40 e seus
nanocompósitos com teores crescentes de EPDM e EPDM-MA respectivamente.
Como era esperado, o reforço da carga na matriz de PA6 promoveu aumento
na rigidez do material devido às interações intermoleculares entre os grupos polares
da poliamida e a superfície das lamelas dos silicatos. A adição de EPDM-MA reduziu
a rigidez dos sistemas com a provável diminuição da tensão interfacial, resultando
na melhor interação entre as fases dos componentes envolvidos com diminuição dos
domínios, tenacificando-os.
A adição de apenas 5 phr de EPDM é suficiente para recuperar a resistência
ao impacto da matriz de PA6. Porém, a adição continuada de EPDM não resultou
em valores crescentes para essa propriedade. De fato, observou-se uma tendência
discreta de redução. Provavelmente, a baixa adesão interfacial entre o EPDM e a
PA6 produziu domínios heterogêneos do elastômero na matriz termoplástica,
reduzindo a eficiência da tenacificação.
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20Teor de Elastômero (phr)
Res
istê
ncia
ao
impa
cto
(J/m
) EPDM EPDM-MA
93
4.2.7.2 Resistência à tração
A Tabela 17 apresenta os resultados das propriedades mecânicas sob tração
obtidas para os nanocompósitos de PA6/claytone 40 com teores crescentes de
EPDM e EPDM-MA.
Tabela 17 - Propriedades mecânicas dos nanocompósitos de PA6/claytone40 com
teores diferentes de EPDM e EPDM-MA.
(MPa) ε (%) (MPa) ε (%) E (GPa) *
0 69,0 ± 0,9 2,2 ± 0,6 59,1 ± 1,3 12,3 ± 2,6 6,5 ± 0,1
5 58,9 ± 0,7 5,0 ± 1,0 70,6 ± 4,1 266,6 ± 38,8 4,3 ± 0,4
10 57,5 ± 3,2 4,3 ± 0,6 53,9 ± 5,4 188,6 ± 20,8 3,8 ± 0,5
15 46,9 ± 1,3 3,1 ± 1,8 40,1 ± 1,6 40,0 ± 11,9 3,0 ± 1,4
20 48,2 ± 1,0 3,4 ± 0,6 42,1 ± 2,0 62,5 ± 42,0 4,3 ± 0,2
5 55,1 ± 0,8 3,4 ± 0,9 47,6 ± 3,1 26,2 ± 10,2 3,8 ± 1,2
10 52,5 ± 2,1 3,8 ± 0,5 46,5 ± 4,8 29,4 ± 16,2 3,6 ± 0,5
15 46,3 ± 1,2 5,8 ± 1,2 40,6 ± 0,9 34,8 ± 10,8 3,0 ± 0,6
20 42,7 ± 1,0 6,1 ± 1,4 38,2 ± 2,2 30,4 ± 12,4 2,8 ± 0,6
E (GPa) * a 1%
Elastômero (phr)
EPDM - MA
Escoamento Ruptura
EPDM
A adição de 5,0 a 10 phr de EPDM ao nanocompósito PA6/claytone 40 foi
suficiente para recuperar a deformação e a tensão na ruptura em relação ao
compósito sem elastômero. Contudo, observou-se perda significativa de deformação
e tensão na ruptura acima de 10 phr de EPDM, devido à baixa adesão interfacial
entre o EPDM e a PA6 que deve ter produzido domínios heterogêneos do
elastômero na matriz termoplástica, reduzindo o alongamento.
Em relação aos nanocompósitos contendo EPDM-MA, a adição de teores
crescentes ao sistema promoveu diminuição na tensão na ruptura quando
comparados aos nanocompósitos PA6/claytone 40, considerando os desvios padrão.
Porém, a deformação na ruptura é discretamente recuperada com a adição de
EPDM-MA, mantendo-se constante até 20 phr, considerando-se os desvios padrão.
94
Quanto ao escoamento, houve redução nos valores de tensão para todos os
nanocompósitos com EPDM e EPDM-MA, enquanto que, na deformação, o
comportamento foi diferente. Ocorreu diminuição com teores crescentes de EPDM e
aumento com a adição contínua de EPDM-MA, considerando seus desvios padrão.
Essa pequena recuperação da deformação na ruptura e discreto aumento da
deformação no escoamento estão associados ao tipo de elastômero empregado.
Nesse caso, em especial, o EPDM-MA, atua como concentrador de tensões em
torno das partículas de argila durante o processo de deformação. Tal estado de
tensão pode levar ao início de fissuras em torno de todas as partículas, e o polímero
absorve, portanto, uma elevada quantidade de energia, permitindo o nanocompósito
alongar-se mais, fugindo de um processo de pontos frágeis altamente localizados
(KUSOMONO et al.; 2008). Outro fator pode ser atribuído às possíveis interações
físico-químicas, principalmente pelos grupos MA no EPDM que contribuem para o
aumento da adesão interfacial, reduzindo o tamanho dos domínios da fase
elastomérica e que podem ser vistos através das reações das Figuras 25 e 26.
Esses resultados estão em conformidade com os já discutidos em itens anteriores
como processabilidade, reometria e resistência ao impacto. De acordo com a
literatura, comportamentos semelhantes foram observados para outros sistemas já
estudados contendo grupos MA, atuando como modificador de comportamento
mecânico. (CHOW et al.; 2005).
Em relação ao módulo, analisou-se o módulo secante a 1% de deformação.
Observou-se uma diminuição nos resultados para todos os nanocompósitos com
teores de EPDM e EPDM-MA, considerando-se os desvios padrão. Essa redução
nos valores do módulo está associada à adição de elastômeros, uma vez que a
presença dessa fase no nanocompósito atua no sistema diminuindo a rigidez
imposta pela carga reforçante, tornando-o mais flexível. Cabe ressaltar que o grau
de cristalinidade apresentou resultados praticamente idênticos para os
nanocompósitos, conforme revelado pelas análises de DSC.
95
5 CONCLUSÃO
Os resultados alcançados pelas composições estudadas e discutidas nessa
dissertação permitiram concluir que:
Foi possível obter nanocompósitos PA6/claytone40, PA6/claytone40/EPDM e
PA6/claytone40/EPDM-MA com estrutura intercalada e/ou esfoliada, utilizando a
técnica de intercalação por fusão;
O aumento da viscosidade dos nanocompósitos preparados em câmara de
mistura não interferiu para a moldagem por injeção;
A presença do EPDM-MA favorece a dispersão da argila organofílica na matriz
de PA6 devido à possível interação físico-química entre o grupo anidrido maleico
e a superfície da argila organofílica;
Temperaturas de fusão (Tm) ligeiramente inferiores à Tm principal da PA6
surgiram em decorrência da adição mínima de nanocarga como um padrão
bimodal do pico endotérmico associado à fusão cristalina da forma cristalina da
PA6 conforme detectados pelas curvas obtidas por DSC. Esse padrão também
foi observado com as composições contendo EPDM e EPDM-MA. A forma dos
cristalitos foi afetada pela presença de nanocargas com o desaparecimento da
forma cristalina , típica de poliamida 6 e o aparecimento da forma cristalina ;
A adição de até 2,5 phr de argila na matriz de PA6 proporcionou um ganho
significativo nas propriedades térmicas, visto que teores acima de 5 phr
promoveu redução da temperatura de decomposição térmica devido à ação
catalítica do argilomineral;
Os resultados de resistência ao impacto dos nanocompósitos de PA6 com teores
crescentes de argila sofreram redução em seus valores considerando seus
desvios padrão associado à perda do desempenho mecânico do material
produzido e agravamento de sua fratura, tornando-a muito frágil conforme
observado e relatado na literatura.
A adição de EPDM-MA no nanocompósitos de PA6/claytone40 promoveu
aumento nos valores de resistência ao impacto com aumento desse modificador
96
associado às interações entre o grupo anidrido maleico e a superfície polar da
argila;
6 SUGESTÕES
A confirmação de determinados resultados obtidos na dissertação pela
combinação (complementação) de diversas técnicas de caracterização consiste em
esclarecer de modo concreto o comportamento dos nanocompósitos produzidos.
Desse modo, algumas técnicas de caracterização necessitam ser realizadas para
complementar o trabalho do laboratório.
A seguir, são descritos abaixo algumas sugestões:
Microscopia óptica de luz polarizada (MOLP) para investigar o tamanho dos
cristalitos (esferulitos) em decorrência da adição de argila organofílica na matriz de
PA6, visto que a carga reduziu o grau de cristalinidade dos nanocompósitos;
Microscopia eletrônica de transmissão (MET) para investigar a dispersão da
argila na matriz PA6 com e sem adição de modificadores de impacto
respectivamente uma vez que as técnicas de difração de raios X e reologia
sugeriram a formação de estruturas intercaladas e / ou esfoliadas respectivamente.
Realização de um teste de teor de gel para quantificar a reação entre os
grupos MA e a argila.
97
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103
ANEXO – Representação esquemática das formas cristalinas e da Poliamida 6.
Figura I – Representação esquemática das formas cristalinas e da poliamida 6.
unidade repetida
unidade cristalográfica repetidaAntiparalelo
Paralelo
unidade repetida
unidade cristalográfica repetidaAntiparalelo
Paralelo
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